¿Por qué la fuerza centrífuga se llama ficticia? [duplicar]

No estoy de acuerdo con que sientas la fuerza centrífuga. Una persona en una centrífuga realmente siente su reacción a la fuerza centrípeta. Si se sienta en un automóvil que está sujeto a una aceleración brusca, 'siente' como si lo empujaran hacia atrás en su asiento. No hay ninguna fuerza que te empuje hacia atrás, es simplemente el resultado de tu inercia.

Una fuerza es ficticia si no obedece las tres leyes del movimiento de Newton . Recuerde la primera ley de Newton:

La primera ley establece que un objeto en reposo permanecerá en reposo y un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.

Matemáticamente, esto es equivalente a decir que si la fuerza neta sobre un objeto es cero, entonces la velocidad del objeto es constante.

$$\sum \mathbf F=0\iff \frac{d\mathbf v}{dt}=0$$

Podría llamar a la primera ley una 'prueba' para las dos leyes restantes; si la primera ley no se cumple, no se pueden aplicar las otras dos. Por ejemplo, en un marco de referencia giratorio, una ruta de inercia podría parecerse a la imagen de la izquierda:

Obviamente, la pelota está acelerando, pero no parece haber nada que cause la fuerza. Tienes dos opciones en esta situación. Podría argumentar que no hay fuerza en la pelota (¡no veo nada que cause una fuerza!) y en ese caso se violaría la primera ley de Newton porque la pelota todavía está acelerando. También podría argumentar que hay una fuerza sobre la pelota definida por$\mathbf F\equiv m\, \mathbf a$. En ese caso se violaría la tercera ley de Newton porque no hay una segunda fuerza que sea igual y opuesta a$\mathbf F$. Esto viola la conservación del impulso y no tenemos más remedio que llamar a esta fuerza ficticia. De cualquier manera, concluimos que nuestro marco de referencia no es inercial.

Las fuerzas ficticias han plagado la física clásica durante mucho tiempo y solo se han resuelto después de la introducción de la relatividad general.

De acuerdo con la formulación básica de la mecánica newtoniana, las fuerzas "reales" vienen en parejas: una fuerza (acción) y su reacción que actúa sobre la fuente de la acción. Además, las fuerzas "reales" son independientes del marco de referencia utilizado. Las fuerzas ficticias, como la centrífuga o la de Coriolis, violan ambas condiciones. Esta es la razón por la que se les llama de esa manera. Tal vez ese no sea un buen nombre porque tienen efectos concretos (aunque la interpretación de estos efectos se puede dar sin usar fuerzas ficticias simplemente describiendo el fenómeno en un marco de referencia inercial).

¡El objeto en el marco no inercial realmente siente la fuerza centrífuga! Entonces, es una fuerza real para el objeto.

Esto es realmente incorrecto. Un acelerómetro montado en el objeto detecta solo la suma de las fuerzas reales. No existe ningún experimento mediante el cual puedas “sentir” ninguna fuerza ficticia. Solo existen en marcos no inerciales y su existencia o inexistencia no cambia el resultado de ninguna medición física.

La distinción entre fuerzas de inercia y fuerzas reales es física, no simplemente una etiqueta que refleja algún prejuicio humano.

"Ficticio" es un término cargado. Es mejor utilizar los términos alternativos "pseudofuerza" o "fuerza de inercia", que evitan implicar que la fuerza no es real. Cualquiera que sea la etiqueta que se use, el punto clave es que la fuerza centrífuga (y, de manera similar, la fuerza de Euler y la fuerza de Coriolis) surge simplemente del hecho de que estamos midiendo la posición, la velocidad y la aceleración del objeto en relación con un marco de referencia no inercial.

Sin discutir por qué algo se llama algo, solo daré la justificación para llamar algo, algo.

Cada vez que surge una fuerza debido a nuestra elección de un marco no inercial, se denomina fuerza ficticia.

Considere como ejemplo una persona en un ascensor acelerando hacia arriba. Si la persona confía en su propio marco, entonces debe escribir la ecuación de movimiento como

Exactamente en este sentido, la fuerza centrífuga es ficticia.

En un marco inercial, escribimos

el objeto siente que hay una fuerza radial hacia afuera

No, no lo hace, y esta es toda la razón detrás del concepto erróneo.

Un ser humano puede sentirse de esta manera, pero esto es algo que sucede en tu cabeza, y simplemente significa que no estamos conectados de una manera que realmente podamos procesar las fuerzas en juego de manera significativa a nivel biológico, principalmente porque nunca sucede en la vida real, por lo que no hay un selector de evolución para desarrollarlo.

Ate una cuerda a una roca grande y gírela a su alrededor (en el espacio libre sin ningún planeta cerca, para evitar cualquier confusión con su gravedad). Corta la cuerda de un solo golpe. En este momento, ya no actúan más fuerzas sobre la roca. La roca no vuela radialmente alejándose de ti; vuela tangencialmente al círculo que acaba de describir. No había ninguna fuerza real apuntando lejos de ti.

Puedes probar esto fácilmente en tu jardín, o desde tu sillón viendo un lanzamiento de martillo en cámara lenta . Observe cómo los atletas siguen girando un cuarto de vuelta después de soltarse, antes de seguir el objeto volador con la mirada.

Mientras la roca aún estaba atada, actuó exactamente una fuerza sobre ella: la fuerza de la cuerda tirando directamente hacia ti; o desde la perspectiva de la roca, hacia su "fondo" (es decir, la fuerza centrípeta - del latín "pedes: a pie", como en "peatón"). Mientras giraba a tu alrededor, en cada momento tenía una velocidad tangencial a su círculo u órbita; y la fuerza centrípeta es la que la hace "caer" hacia ti, o en términos más neutros, cambia constantemente de dirección.

En el caso de un objeto sólido giratorio, la cuerda es reemplazada por las fuerzas electromagnéticas que mantienen unidas las partículas. En el caso de un objeto parado sobre un planeta, la cuerda es reemplazada por la gravedad. Ah, y un experimento mental divertido: si alguien apagara la gravedad en este momento, en la Tierra, y un objeto totalmente inelástico estuviera sentado en un piso completamente inelástico (es decir, sin fuerzas internas de "resorte" en la imagen), y tal vez en un vacío local, parecería comenzar a volar paralelo al suelo, no hacia el cielo.

La ilusión de la fuerza centrífuga es común a nosotros y creada por nuestro cerebro; por ejemplo, si se sienta en un automóvil y gira rápido en una esquina, su cabeza parece moverse hacia el costado del automóvil. Sin embargo, este no es el caso. Tu cabeza quiere ir de frente; el costado de su automóvil se mueve centrípetamente y, por lo tanto, empuja su cabeza si relaja los músculos lo suficiente como para que su cabeza descanse contra el costado.

"¡El objeto en el marco no inercial realmente siente la fuerza centrífuga! Entonces, es una fuerza real para el objeto".

Tres puntos sobre esto:

1. Esta es una observación filosófica, no física. Lo que no significa que no sea válido. Es solo que todo tipo de travesuras surgen cuando las personas confunden declaraciones filosóficas con declaraciones físicas.
2. En física, una fuerza es lo que provoca una aceleración. Período. Un objeto, persona, gato, lo que sea, que gira en algún contenedor alrededor de un eje, por definición se acelera radialmente hacia adentro. Entonces, desde el punto de vista de las causas de la aceleración, la fuerza también es radial hacia adentro y no hay fuerza radial hacia afuera.
3. Pero filosóficamente, diría que no sientes ninguna fuerza externa. Piénsalo. Si está en un automóvil dando un giro brusco a la izquierda y termina apoyado con el lado derecho contra la puerta del automóvil, ¿siente alguna fuerza en el hombro izquierdo que lo empuja hacia afuera? No. La única fuerza que realmente sientes está en tu hombro derecho y te empuja hacia adentro. La "sensación" de una fuerza externa es una interpretación psicológica de tu experiencia que integra una gran cantidad de percepciones en ese momento. La única fuerza que realmente sientes es interna.

Entonces, ¿es realmente correcto llamar ficticia a la fuerza centrífuga solo porque no existe en un marco de referencia inercial?

Las fuerzas ficticias solo existen en marcos no inerciales.

La fuerza centrífuga reactiva (o cualquier término que quieras llamarlo) es real y parte de un par de fuerzas de la tercera ley de Newton. Considere un disco que se desliza sobre una superficie sin fricción, siendo acelerado centrípetamente en una trayectoria circular por una cuerda atada que pasa por un agujero en el centro de la trayectoria circular. La cuerda ejerce una fuerza centrípeta sobre el disco, coexistente con el disco ejerciendo una fuerza centrífuga reactiva sobre la cuerda.

En cuanto a la persona en el ejemplo de una centrífuga, imagina que la persona sostiene un ladrillo contra su estómago. La persona sentirá la fuerza centrífuga reactiva del ladrillo, coexistente con la fuerza centrípeta que la persona ejerce sobre el ladrillo.

https://en.wikipedia.org/wiki/Reactive_centrifugal_force

Imagínese parado en un tren donde el piso está hecho de hielo. El tren está estacionado en la estación. Estás parado en el suelo de hielo del tren, sin aferrarte a nada. Hay otros pasajeros sentados en el tren.

A medida que el tren sale de la estación, usted permanece inercialmente en su lugar, porque el hielo no proporciona fuerza cortante a sus pies debido a la falta de fricción. A un pasajero que se sienta, lo mira mientras acelera hacia la parte trasera del tren y comenta: "¡Guau, hay mucha fuerza actuando sobre ese tipo!". Sin embargo, al examinarlo de cerca, el pasajero nota el piso de hielo y se da cuenta de que no existe tal fuerza que explique su aceleración hacia atrás. El pasajero concluye que esta fuerza aparente es ficticia y que, en cambio, simplemente están haciendo observaciones desde un marco no inercial.

Desde S parecería que el tiempo va más lento para S′. Sorprendentemente, a partir de S′ parecería que el tiempo también va más lento para S. Ahora, ¿quién tiene razón? Respuesta: Ambos tienen razón.
Entonces, ¿es realmente correcto llamar ficticia a la fuerza centrífuga solo porque no existe en un marco de referencia inercial?

S y S' no están en desacuerdo sobre qué tan rápido pasa el tiempo. Ambos están de acuerdo en cuánto tiempo S pasa y no están de acuerdo en cuánto tiempo S pasa. En lo que no están de acuerdo es en que S llama al tiempo S simplemente "tiempo", mientras que para S', el término "tiempo" se refiere al tiempo S'. Esto no es realmente un desacuerdo sobre un fenómeno físico como el tiempo, es simplemente un desacuerdo semántico sobre qué fenómeno físico recibe la etiqueta "tiempo".

De acuerdo con los postulados de la Relatividad Especial de Einstein, ninguno de sus sistemas de etiquetado es superior. Ambos funcionan igual de bien.

En el caso del marco inercial versus no inercial, todavía no es del todo correcto decir que uno es "correcto". Ambos tienen sistemas de coordenadas válidos y tienen leyes físicas que predicen fenómenos. Sin embargo, la física no inercial es más complicada.

Dado que es bueno tener un conjunto universal de reglas físicas en lugar de tener diferentes reglas según el marco de referencia que se elija, y existe una base objetiva sobre la cual podemos decir que el marco inercial, aunque no necesariamente más "correcto", es más útil , tiene sentido formular leyes físicas en términos de marcos inerciales, y eso significa que la palabra "fuerza" se refiera a fuerzas que existen en marcos inerciales, y agregar el calificativo "ficticio" a fenómenos que aparecen solo en marcos no inerciales. marcos inerciales.

La respuesta depende del significado particular que se le dé a la palabra ficticia :

• Por un lado, no hay duda de que la fuerza centrífuga (y otras fuerzas que surgen en marcos de referencia no inerciales) es real , en el sentido de que es medible y tiene efectos físicos reales (en el marco de referencia del objeto giratorio)
• Por otro lado, las fuerzas reales se caracterizan no solo por su acción, sino también por su naturaleza: las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, interacción electromagnética, interacción débil y fuerte) reflejan propiedades de los objetos que son independientes (o al menos invariantes en respecto a) los marcos de referencia que utilizamos. La fuerza centrífuga depende del marco de referencia para su existencia, incluso si considerar marcos de referencia inerciales superiores a los no inerciales podría considerarse una cuestión de convención/existencia. Es en este sentido que la fuerza centrífuga se considera ficticia. (Tenga en cuenta que las propias fuerzas reales también pueden sufrir transformaciones drásticas al cambiar un marco de referencia, incluso cuando se encuentran entre los marcos de referencia inerciales).
• Finalmente, permítanme señalar que toda la física es ficticia, que existe solo en la mente humana, en oposición a la naturaleza real, que se comporta de la manera en que se comporta sin ningún conocimiento de cómo nosotros, los humanos, la describimos e interpretamos. En este sentido, lo que llamamos ficticio o real es una cuestión de convención, y hemos decidido que los marcos de referencia inerciales son superiores (y no olvidemos que algunas personas fueron procesadas por la inquisición supuestamente por promover este punto de vista).

Observaciones:

• Mi última observación sobre la inquisición se basa más en creencias populares que en hechos. Galileo y Giordano Bruno fueron procesados ​​por la inquisición (el primero fue obligado a renunciar a sus puntos de vista, el segundo fue quemado en la hoguera). Sin embargo, la mirada más profunda a ambos casos muestra que las verdaderas razones del enjuiciamiento tenían poco o nada que ver con la ciencia.