¿Puede la fuerza eléctrica levantar cuerpos pesados?

A menos que calculé mal, esto no parece posible por la siguiente razón.

Evaluemos el campo eléctrico requerido para suspender a un hombre con una masa de$m=70kg$. Para simplificar, consideremos un condensador plano con un área de placa de$A=1m^2$, que parece razonable para "un lado de un cuerpo humano ". La fuerza$F$entre las placas del condensador es $\frac{\epsilon_0 A V^2}{2 x^2}=\frac{\epsilon_0 A E^2}{2}$, dónde$\epsilon_0=8.85\cdot 10^{-12}F/m$,$V$es la diferencia de potencial entre las placas,$x$es la distancia entre las placas,$E$es el campo eléctrico dentro del condensador. Si$F=mg\approx 686N$, obtenemos$E=\sqrt{\frac{2 m g}{A\epsilon_0}}\approx 1.24\cdot 10^7 V/m$, mientras que la ruptura eléctrica en el aire atmosférico tiene lugar cuando el campo eléctrico excede$3\cdot 10^6 V/m$.

EDITAR (30/7/2021): @EdL hizo buenas preguntas en un comentario:

Entonces, ¿qué sucedería en su lugar? ¿Se descargaría el capacitor a través del aire?

Sí.

¿Podría hacer la misma pregunta de electrostática con el mosquito para comparar qué campo se requiere para eso?

Así que supongamos que el mosquito tiene el siguiente tamaño y peso : 4 mm y 5 mg. Supongamos que el mosquito tiene una forma cuadrada en un plano (esto puede parecer tonto, pero uno puede hacer una suposición diferente y calcular - tenga en cuenta la raíz cuadrada en la fórmula), por lo que el área es$1.6\cdot 10^{-5}m^2$. Sustituyendo este dato en la fórmula anterior, se obtiene$E\approx 8.32\cdot 10^5 V/m$.

Así que calculé (con proporcionalidad) que con un Bic Pen que pesase unas 233 toneladas, levantaríamos a un hombre de 70kg.

La magnitud de la fuerza electrostática que ejerce la pluma sobre el papel, el mosquito o un hombre, creada al frotar la pluma, no tiene nada que ver con la masa de la pluma. La fuerza solo depende de la carga neta adquirida en la superficie de la pluma debido al roce. Agregar más masa sin aumentar el área de la superficie de fricción no aumentaría la carga neta y, por lo tanto, no aumentaría la fuerza electrostática.

Que esa fuerza electrostática sea capaz o no de hacer que el papel, el mosquito o el hombre aceleren hacia el bolígrafo depende de la segunda ley de Newton;

Dónde$F_E$es la fuerza electrostática debida a la carga neta en el bolígrafo y$m$es la masa del papel, mosquito u hombre. Como han señalado otros, para levantar a un hombre, la fuerza del campo eléctrico tendría que ser extremadamente alta.

Espero que esto ayude.

Podría ser posible, pero improbable debido a la fuerza del campo eléctrico involucrado.$^1$.

El campo eléctrico es proporcional a la cantidad de carga y no depende de la masa de ninguno de los cuerpos.

Si quisieras levantar a un hombre cuya masa es$70kg$usando fuerzas electrostáticas, necesitarías que la fuerza electrostática sea igual a su peso, o

$^1$La diferencia de potencial eléctrico generada por una acumulación tan grande de carga puede exceder el voltaje de ruptura para el aire. En ese punto, la carga cruzará rápidamente el límite entre los dos objetos y neutralizará rápidamente el sistema.

En principio es posible pero en la práctica es extremadamente difícil.

El problema es que la fuerza del campo requerida para levantar cualquier peso significativo es extremadamente alta y se produce un arco o una ruptura que colapsa el campo.

El principio se estudió una vez para aerodeslizadores y aeronaves VTOL, pero el voltaje necesario para alcanzar cualquier altura era extremo, el gradiente de campo antes de la ruptura solo permitía pesos modestos, e incluso si se hubiera logrado, el riesgo de electrocución para cualquiera que estuviera debajo habría sido mayor. sido demasiado grande. Recuerdo una historia de ciencia ficción con esos vehículos, pero la idea se quedó ahí.

Lo que se ha logrado es el uso de fuerzas electrostáticas para acelerar el aire, creando empuje para aeronaves propulsadas por iones . Los modelos VTOL livianos y endebles con empuje de iones vertical despegaron y flotaron, pero arrastraron cables de regreso al generador de alto voltaje en el suelo. El MIT también fabricó recientemente un modelo de avión de ala fija, el MIT EAD Airframe Version 2 , de vuelo sostenido, con generación de empuje iónico horizontal a bordo y sustentación aerodinámica convencional más eficiente. Pero el modelo no tenía empuje sobrante para el despegue, tenía que ser lanzado.

Un objeto relativamente masivo ha sido levitado con fuerzas electrostáticas.

Gravity Probe B usó esferas de cuarzo fundido del tamaño de pelotas de ping-pong. Estos fueron diseñados no solo para ser centrados por fuerzas electrostáticas en órbita, necesitando solo fracciones de voltio, sino también para ser levitados en el laboratorio en 1 g de gravedad para la prueba. Esto necesitó alrededor de 1500 V en el espacio libre de 0,001" entre la esfera y los electrodos de la carcasa, en el vacío, por supuesto.

Veré si puedo encontrar algunos enlaces a algunos documentos de diseño, ¡no dude en adelantarme!