¿Se siente ingrávida una rana suspendida magnéticamente?

Te sentirías ingrávido si cada parte de tu cuerpo tuviera masa$m$estaría sujeto a una fuerza hacia arriba igual a$m$veces la aceleración gravitatoria local$g$. Una cancelación tan exacta de parte por parte no va a ocurrir a través de la levitación diamagnética como se utiliza en la rana en su ejemplo. Esta levitación no solo se acopla de acuerdo con la susceptibilidad magnética y no con la masa, sino que, lo que es más importante, dicha levitación se basa en campos magnéticos no homogéneos. Esto significa que una o más partes (centrales) de la rana se levantan con más fuerza que otras partes.

Supongo que la rana se siente menos pesada pero extrañamente suspendida por su estómago.

La sensación de peso es causada por fuerzas de contacto que actúan solo en partes de su cuerpo: fuerzas como el pavimento que empuja sus pies, el aire que pasa a toda velocidad por ciertas partes de su cuerpo mientras cae a velocidad máxima, el piso de un elevador empujando con fuerza reducida de pie mientras el ascensor inicia su viaje descendente. Básicamente sientes una parte de tu cuerpo presionando o tirando de otras partes para mantenerlas juntas.

La gravedad es una fuerza distribuida . Actúa sobre cada partícula de masa de manera idéntica (con raras excepciones: véase Larry Niven, Neutron Star ). Su cuerpo no necesita ninguna fuerza interna para mantener todas las partes juntas y usted se siente "ingrávido".

Con respecto a flotar sumergido, está suspendido por la diferencia de presión hidrostática en la parte superior e inferior de cada elemento. La flotabilidad se basa en el volumen, no en la masa. En la medida en que haya variaciones en la densidad de tu cuerpo lleno de líquido, sentirás el peso flotando en el agua. Considere, por ejemplo, a los miembros de la tripulación en un submarino (no inundado).

Con respecto a la levitación magnética, la respuesta anterior de Johannes es correcta. En la medida en que varias masas en el cuerpo de la rana experimenten fuerzas magnéticas que no sean proporcionales a su masa, la rana experimentará "peso".

Hay diferentes componentes para sentirse ingrávido.

Puede simular parcialmente la ingravidez con flotabilidad neutra en el agua. Esto hace que la actividad física bruta se sienta como si estuviera sin peso (bueno: sin peso y sumergido en un medio denso y viscoso).

Además, los buceadores tienen grandes dificultades para sentir "abajo" incluso cuando flotan, por lo que en ese sentido también se "sienten" ingrávidos (al menos, no sienten su peso). Cualquier forma de soporte que se distribuya uniformemente sobre el cuerpo como la fuerza de un fluido externo se sentiría tan ingrávido como eso.

Sin embargo, es posible que un buceador tenga una sensación de "abajo", por ejemplo, del oído interno o de los órganos. Los humanos no deberían contar con eso para llegar a la superficie en la oscuridad, no sé si las ranas pueden. Un acelerómetro en una burbuja de aire en una caja, por supuesto, funcionaría incluso si el dispositivo en general es neutralmente flotante. Creo que entrenar bajo el agua no es un buen predictor de qué tan mareado/nauseoso te sentirás en caída libre, por lo que claramente la sensación es diferente aunque no sea tan evidente. En cierto sentido, un buzo de tabla alta tiene más derecho a sentirse ingrávido que un buzo de aguas profundas; aparte de la resistencia del aire, cualquiera que caiga al menos tiene fuerzas uniformes en todo el cuerpo.

Ahora, la levitación diamagnética no es una fuerza de un fluido externo, es interna. Con una levitación diamagnética lo suficientemente uniforme, se sentirá al menos tan ligero como cuando flota neutralmente en el agua y posiblemente más. Entonces, si está feliz de llamar a eso "sentirse ingrávido", la rana se sentiría ingrávida en un campo magnético plano.

Pero aparte de la forma del campo magnético, la levitación no será perfectamente pareja, porque su cuerpo no es universalmente diamagnético: algunas partes son más húmedas que otras, o quizás más formalmente, la susceptibilidad magnética no necesita ser uniforme en todos los materiales del cuerpo. Entonces, la pregunta es si la rana puede detectar la irregularidad de la levitación. Si no, entonces se siente ingrávido. Probablemente la respuesta sea como el agua para los humanos: se distingue de la caída libre, pero la dirección del peso no es inmediatamente obvia.

Por otra parte, si una rana en particular está vomitando copiosamente en caída libre pero no en levitación magnética, te dirá "claro, se siente muy diferente". Vomitar se siente diferente a no vomitar, independientemente de cuán sutil fue el efecto en sus oídos que hizo que vomitara.

Lo que sientes en un arnés es una fuerza igual a tu peso ejercida sobre unas pocas pulgadas cuadradas que no son ninguna de las pocas pulgadas cuadradas habituales "diseñadas" para ese propósito. Entonces, la levitación magnética solo se sentiría como un arnés si la levitación es principalmente de unas pocas partes pequeñas del cuerpo, con mucha menos o ninguna fuerza sobre el resto. No creo que este sea generalmente el caso, y esas ranas que levitan no tienen sus extremidades colgando hacia abajo, pero es posible que así sea.

Entonces, tienes tu teoría y luego tienes tus desordenados detalles prácticos de la construcción de imanes fuertes y de ranas. Sospecho que realmente se reduce a lo que la rana está tratando de lograr y qué mecanismos finos tienen las ranas que pueden detectar "abajo".

La sensación del arnés de trapecio surge porque, aunque estás suspendido, el arnés ejerce una fuerza normal sobre ti. una manera fácil de pensar en esto es que todavía tienes la gravedad tirando hacia abajo de todos tus órganos. La rana, por otro lado, no experimenta nada de eso. La fuerza electromagnética actúa sobre todas las partes dentro y fuera de su cuerpo; cancela completamente la gravedad. Por lo tanto, se sentiría sin peso.

Como mencioné en mi comentario, parece que te sentirás ingrávido cuando la fuerza neta ejercida sobre ti sea igual a la fuerza de la gravedad. (Entonces, básicamente, la gravedad es la única fuerza en juego)

Esto es consistente con el hecho de que los astronautas en la ISS son ingrávidos a pesar de que experimentan una fuerza neta (después de todo, se mantienen en una órbita alrededor de la Tierra). También funciona muy bien con personas en caída libre sintiéndose ingrávidas (hasta que la resistencia del aire se activa de todos modos), y astronautas hipotéticos en el espacio profundo sintiéndose ingrávidos (sin gravedad, sin fuerza neta).

Esto tiene sentido cuando se considera la definición de peso. El peso es la fuerza que estás ejerciendo sobre la tierra (o lo que sea que te conecte a la tierra), no al revés.

En el caso de la rana suspendida en un campo magnético (así como colgando de un trapecio) no hay fuerza neta, pero sí gravedad, por lo que la rana experimentará su peso normal. En este caso, la fuerza sobre la tierra se ejerce a través del campo magnético.