Si estoy en el espacio exterior y de repente empiezo a acelerar, ¿lo sentiré?

La respuesta física es que un acelerómetro detectará todas las aceleraciones relativas a un marco de inercia. Si estás en caída libre siendo acelerado por un campo gravitacional, la respuesta es no, porque un marco en caída libre es inercial, aunque para la mayoría de los propósitos es más útil tratarlo como un marco acelerado.

Así que a sus preguntas en orden,

1a Sí, pero la caída libre cuenta como inercial.

2a Solo si también está acelerando con un marco inercial.

1b No, si por "mientras estoy en movimiento" te refieres a velocidad constante.

2b Sí, sujeto a lo anterior.

La respuesta de ingeniería/biología es rotundamente "No". Usted especificó que cada parte de usted está siendo acelerada de manera idéntica, y si ese es el caso, no hay forma de diseñar un acelerómetro (biológico o de otro tipo) de manera que detecte cualquier aceleración. Un acelerómetro funciona midiendo la diferencia de movimiento entre un marco mayoritariamente inercial (como una masa en un resorte o un fluido en el oído interno) y el marco de aceleración (el cuerpo del acelerómetro o el cráneo). Si cada partícula acelera de manera idéntica, no hay nada que medir.

No. Dado que cada partícula de su cuerpo se acelera al mismo ritmo, no hay fuerzas entre ellas ni compresión ni tensión. Esto es idéntico a estar en caída libre en un campo gravitacional. Un astronauta en órbita, por ejemplo, se ve afectado por la fuerza de la gravedad en todo momento, pero no "siente" nada porque está en caída libre. Media órbita más tarde, el astronauta está acelerando exactamente en la dirección opuesta , pero no se siente diferente. En ningún momento el astronauta puede determinar que está en una mitad de la órbita frente a la otra, o simplemente flotando en el espacio profundo lejos de cualquier masa y sin estar en órbita en absoluto. En todos los casos, simplemente son acelerados por el campo gravitatorio local, que siempre se siente igual, como si no hubiera aceleración en absoluto.

Los humanos solo sienten la aceleración adecuada, que es la aceleración que se desvía del campo gravitacional local. Los humanos no sienten la aceleración de coordenadas, que es la aceleración con respecto a algún punto fijo (y variará según el punto fijo). Tu fuerza invisible está actuando sobre cada partícula de tu cuerpo exactamente como lo haría un campo gravitatorio. Ya que no puedes sentir la aceleración debida a un campo gravitatorio cuando estás en caída libre, no puedes sentir la aceleración debida a esta fuerza que opera exactamente de la misma manera.

Ver también: ¿ Un astronauta experimentaría una fuerza durante una maniobra de asistencia por gravedad?

Sí. A través del principio de equivalencia, si acelera con respecto a un marco de referencia localmente inercial, entonces no podrá distinguir los efectos de la aceleración de un campo gravitatorio. Entonces sentirás efectivamente una fuerza gravitacional que actúa en la dirección de la aceleración, con una magnitud proporcional a la magnitud de la aceleración.

Nota añadida debido a la discusión en los comentarios.

Hay una contradicción implícita en la pregunta. Si está verdaderamente aislado en el espacio vacío, entonces no puede estar acelerando (debe estar en un marco de referencia localmente inercial), debido a la primera ley de Newton. Así que hay dos estrategias para responder a esta pregunta:

(a) señalar la contradicción y dejarlo así (lo cual es una respuesta algo aburrida), o

(b) suponga que está acelerando pero también suponga que hay algo que causa la aceleración.

Estoy tomando el enfoque (b) en mi respuesta (aunque al agregar esta nota también he abordado el punto (a)).

Otro punto clave que surgió en los comentarios es que un marco de inercia local también es un marco de caída libre. (Aquí estoy trabajando en el marco de la Relatividad General, que es la descripción más precisa de la gravedad que tenemos actualmente). Entonces, un observador en caída libre no está acelerando en relación con un marco de inercia local y no experimenta una fuerza.

No. Consideremos el caso en el que estás flotando en el espacio libre, y de repente aparece una gran luna en tu vecindad, hacia la que comienzas a acelerar debido a la gravedad.

Antes de que aparezca la luna, obviamente estás en un marco inercial.

Después de que aparece la luna, estás en caída libre hacia ella, que también es un marco de inercia. Ver el principio de equivalencia :

Los objetos en caída libre no experimentan aceleración hacia abajo (por ejemplo, hacia la tierra u otro cuerpo masivo), sino más bien ingravidez y sin aceleración.

Cualquier dos marcos inerciales se experimentan de manera equivalente; no se podía distinguir la transición de uno a otro.

Qué es exactamente "aceleración constante" en relatividad es un poco más complicado de lo que parece al principio. Si, en relación con un marco de referencia fijo, su cambio en la velocidad por unidad de tiempo es constante, en algún momento excederá la velocidad de la luz. Entonces ese tipo de aceleración es físicamente imposible a largo plazo, pero a corto plazo sería posible. Sin embargo, si está acelerando a un ritmo constante en relación con un marco de referencia fijo, entonces, dado que su tiempo se está desacelerando en relación con ese marco de referencia, su aceleración aumentará en su marco de referencia.

También podemos considerar un objeto que experimenta una aceleración propia constante ; es decir, la aceleración relativa a su marco de referencia instantáneo es constante. Esto se puede caracterizar por las coordenadas de Rindler, pero en las coordenadas de Rindler, un objeto de longitud finita tendrá que tener diferentes aceleraciones en diferentes puntos.

Te has topado con la diferencia entre las fuerzas del cuerpo y las fuerzas de la superficie . Las fuerzas de cuerpo actúan directamente sobre todo el cuerpo de un objeto, mientras que las fuerzas de superficie actúan directamente solo sobre la superficie de un objeto. Cuando te sientas en una silla, la fuerza directa que sientes es la silla presionando contra tu trasero. No sientes la silla en todo tu cuerpo, porque solo actúa en la superficie. La gravedad, sin embargo, es una fuerza corporal. En tu vida diaria, no puedes sentirlo directamente porque actúa casi* uniformemente en todo tu cuerpo. Puede sentir el fluido en su oído interno fluir, o sus pies presionando contra el piso, pero en realidad no puede sentir la gravedad en sí.

*Hay fuerzas de marea causadas por la gravedad que es más débil en las alturas, pero en la Tierra son muchos órdenes de magnitud demasiado pequeñas para sentirlas.