Si F=maF=maF=ma, ¿cómo podemos experimentar tanto la gravedad como una fuerza normal aunque no estemos acelerando?

Mientras me siento en mi silla, experimento una fuerza gravitacional que me empuja hacia la silla y también experimento la fuerza normal de la silla que me empuja hacia atrás para que no me caiga. Según las leyes de Newton, F = metro a y entiendo que la aceleración gravitacional cerca de la Tierra es 9.8 metro / s 2 entonces la fuerza normal es 9.8 metro / s 2 veces mi masa.

Lo que no entiendo es que si la aceleración es un cambio de velocidad y mi velocidad no cambia (por lo tanto, la aceleración es cero), ¿cómo hay una fuerza?

No hay fuerza neta. La fuerza hacia abajo de la gravedad sobre usted se equilibra con la fuerza normal hacia arriba de la Tierra. Sin fuerza neta significa que no hay aceleración neta.
¡Dígale a alguien que quite la silla del respaldo, sabrá si está acelerado o no!
Posible duplicado de: physics.stackexchange.com/q/97802

Respuestas (3)

Solo debe tener cuidado con la distinción entre ciertas interacciones individuales (fuerzas) y la fuerza neta en su cuerpo.

La Segunda Ley de Newton exige que la fuerza neta sobre tu cuerpo sea tu masa multiplicada por tu aceleración. Tu aceleración es cero cuando estás quieto en la Tierra porque la fuerza neta sobre tu cuerpo es cero; la fuerza gravitatoria que te empuja hacia abajo equilibra la fuerza normal del suelo que te empuja hacia arriba. Esto no significa que no puedas sentir la fuerza normal en sí misma .

Podrá sentir cualquier fuerza de contacto de este tipo, incluso si la fuerza total sobre su cuerpo es cero.

Al determinar la fuerza neta sobre un cuerpo, ¿no necesitamos mirar las fuerzas individuales y ver cuál es la suma de los vectores? ¿Y las fuerzas individuales todavía se calculan con F=ma?
@nonex Sí. Para determinar la fuerza neta calculamos la suma vectorial de las fuerzas individuales. Las fuerzas individuales no se calculan con F = metro a . Este es realmente un punto crucial e importante. La fuerza debida a la gravedad, por ejemplo, está determinada por la Ley de Gravitación de Newton. Cerca de la superficie de la Tierra, es aproximadamente cierto que esta fuerza es metro gramo dónde gramo es la aceleración debida a la gravedad cerca de la superficie de la Tierra, pero ese hecho se determina haciendo una aproximación en la Ley de Gravitación, no usando la Segunda Ley de Newton.
Si me paro en la tierra, creo que debemos considerar algunos casos, uno que se analiza en la respuesta anterior, es decir, la fuerza gravitatoria sobre mí es igual a la fuerza normal sobre mí, por lo que mi aceleración es cero. En el otro caso, estoy ejerciendo una fuerza sobre una masa muy, muy pequeña de la tierra, por lo que esa masa muy, muy pequeña de la tierra ejerce una fuerza sobre mí. Aquí estoy acelerado con 'a' que, cuando se multiplica por mi masa, será igual a la masa de la tierra sobre la que ejercí la fuerza multiplicada por la aceleración a la que yo la aceleré. Aquí, aunque estaba acelerado, no me moví porque mi masa es suficiente...
..... para superarlo. Algunas veces ejercemos fuerza sobre una masa muy grande, aquí está acelerada pero no lo suficiente como para moverse. Creo que en la respuesta, la aceleración de usted se considera cero considerando el primer caso, pero teniendo en cuenta el segundo caso , en realidad está acelerado . No publiqué esto como respuesta porque no estaba seguro. Si hay algo mal aquí, estaré feliz de aprender.
Entonces, ¿la gravedad es un caso especial cuando se trata de calcular la fuerza sobre un objeto? Y digamos que si estamos flotando sin peso en el espacio, entonces cualquier fuerza que sintamos en realidad ES un producto de la masa y la aceleración, en otras palabras, ¿la velocidad realmente está cambiando y hay una aceleración real?
@nonex Gravity no es especial en este sentido. La utilidad de la Segunda Ley de Newton es que puedes averiguar cuál es la fuerza neta observando las interacciones físicas (y sin usar la Segunda Ley de Newton), y luego, cuando reemplazas esa expresión de la fuerza neta en la Segunda Ley, obtienes una ecuación para la aceleración del objeto, y esto a su vez permite (en principio) resolver su movimiento. Solo si hay una sola fuerza sobre un objeto, y si se conoce su aceleración, se puede determinar la fuerza a partir de la segunda ley.
Lo sentimos, pero parece que estas leyes no se aplican de forma coherente. Si estoy sentado en mi silla en una nave espacial que viaja a 9,8 m s-2, las fuerzas me equilibran exactamente de la misma manera, pero en 10 segundos puedo esperar moverme 490 metros. ¿Cómo es que no me muevo lo mismo cuando estoy sentado en una silla en la Tierra?
@DonaldRoyAirey En la nave espacial, solo hay una fuerza en tu cuerpo: la fuerza normal. En la Tierra, hay dos fuerzas en tu cuerpo: la fuerza normal y la gravedad, que se cancelan, por lo que la fuerza neta en tu cuerpo en el caso de la Tierra es cero, lo que implica que tu aceleración es cero (todo esto sin tener en cuenta la rotación relativamente insignificante del Tierra).
Entonces, ¿estás diciendo que cuando estoy en la nave espacial, no estoy empujando mi silla? Sólo está la silla empujándome. ¿Cómo es que no me tiran al techo? Tengo un acelerómetro láser en mi escritorio que me dice que las fuerzas netas son las mismas cuando mi oficina está en la Tierra que cuando está en la nave espacial. ¿Está mal mi acelerómetro láser?
@DonaldRoyAirey No. No estoy diciendo que no estés empujando tu silla hacia abajo cuando estás en la nave espacial. Estoy diciendo que la única fuerza sobre USTED es la fuerza normal. No eres arrojado al techo porque tú y la nave espacial tienen la misma aceleración. Tengo un acelerómetro en mi escritorio (literalmente en mi teléfono) y marca aproximadamente cero. Sin embargo, cuando lo acelero horizontalmente de tal manera que la fuerza ejercida sobre mi mano por el teléfono es igual a su peso (para simular la nave espacial), se lee aproximadamente gramo , como se esperaba.

La respuesta de Josh es, por supuesto, correcta, pero permítanme tomar una perspectiva diferente. Según la relatividad general estás acelerando y por eso sientes una fuerza.

Las matemáticas detrás de esto se describen en la excelente respuesta de twistor59 a ¿Cuál es la ecuación de peso a través de la relatividad general? . Cuando estás en reposo sobre la superficie de la Tierra tu aceleración es aproximadamente:

a = GRAMO METRO r 2 1 1 2 GRAMO METRO C 2 r

dónde r es el radio de la tierra y METRO es la masa de la Tierra.

Permítanme justificar esta escandalosa afirmación. Una manera de saber si estamos acelerando es si sentimos una fuerza. Cuando estás flotando en el espacio, si no sientes ninguna fuerza, puedes estar seguro de que no estás acelerando. Bueno, esto es cierto para la física newtoniana pero no para la relatividad general. Un astronauta en la Estación Espacial Internacional no tiene peso y no siente fuerza, pero desde nuestra perspectiva aquí en la Tierra, ese astronauta está acelerando hacia la Tierra. Sabemos que deben estar acelerando porque viajan en una órbita circular alrededor de la Tierra, y el movimiento circular implica una aceleración hacia el centro del círculo .

El punto es que en GR la aceleración es relativa, y la aceleración medida depende del observador. Entonces, si estoy tratando de determinar tu aceleración cuando estás parado en la superficie de la Tierra, la respuesta que obtengo depende del observador que elija. Bueno, el observador obvio a elegir es uno que no siente fuerza, porque no sentir fuerza es el punto de referencia obvio para la aceleración cero.

Entonces, para determinar su aceleración, comparo su movimiento con el de un observador en caída libre que está (momentáneamente) a su lado. Por ejemplo, si estás parado al borde de un acantilado, ese observador se caería del acantilado a tu lado. Vas a decir que el observador está acelerando hacia abajo (¡presumiblemente hacia una muerte inminente y complicada!) pero el observador va a decir que estás acelerando hacia arriba. Es más, el observador va a decir que como no siente fuerza pero tú sí sientes una fuerza, puede estar seguro de que eres tú quien está acelerando.

Así es como se deriva la ecuación anterior. Compara la aceleración de cuatro de alguien a una distancia fija de un planeta con la aceleración de cuatro de un observador en caída libre. En realidad, es solo la aceleración calculada a partir de la ley de gravedad de Newton con una (generalmente) pequeña corrección relativista.

Llegados a este punto vas a decir que todo esto es muy interesante (al menos eso espero) pero ¿no es un poco tonto decir que estás acelerando cuando obviamente estás parado? Bueno, la afirmación explica claramente por qué sientes una fuerza y, además, calcula exactamente cuál es esa fuerza.

Estoy luchando con esta pregunta en este momento. Digamos, 'Bien', acepto tu ridícula noción de GR de que la aceleración depende del observador. Mi observador de caída libre afirma que el tipo que está parado en el acantilado está acelerando a 9,8 m s-2 en una dirección que se aleja del centro de la Tierra. Entonces, cuando un observador objetivo mide tanto al observador que cae como a la estática observada en el acantilado, ¿cómo es que la distancia del objeto observado es estática (es decir, la distancia desde el centro de la Tierra hasta el tipo en el acantilado no cambia a pesar de que está acelerando alejándose de él)?

Técnicamente, tiene razón en que no debería sentir una fuerza (bajo el ámbito de la mecánica clásica) si no está bajo aceleración (es decir, la fuerza neta de un diagrama de cuerpo libre sobre usted se muestra como cero)

Y eso sería cierto si fueras un cuerpo rígido. ¡Pero no lo eres!

En realidad, tu piel que está en contacto con la silla en la que estás sentado sufre una deformación.

Valoremos un caso de lámina elástica bajo carga sobre una superficie

          ↓ weight of load
--------------------------
          ↑ F
          ↓ F
--------------------------
          ↑ normal reaction

donde F es la fuerza ejercida por el elástico comprimido en ambas superficies.

El valor de F se puede calcular mediante la ley de Hooke, que establece que

s t r mi s s = k s t r a i norte
donde k es el módulo de elasticidad del material.

Ha habido algunas investigaciones sobre las propiedades mecánicas de la piel, pero no estoy seguro de si se puede aproximar a un material elástico ideal.

No obstante, podemos estar de acuerdo en que la piel sufre cierta deformación, y hay nervios en tu cuerpo que sienten esto y envían la señal a tu cerebro.

Efectivamente, tus receptores ni siquiera te dicen que estás sintiendo una fuerza normal o una fuerza gravitatoria, esa es tu propia inferencia. Todo lo que te dice es que una presión externa ha deformado tu piel.

Y es por eso que siente estas fuerzas a pesar de que no está bajo aceleración, mientras que un cuerpo rígido ideal puede no hacerlo.