Materia: Física, clásica y moderna.

Trabajo práctico.

Profesor: Jacinto Miori.

Alumno: Sol Sopranzi.

Materia: Física, clásica y moderna.

Sistemas inerciales.

El movimiento de un cuerpo se evidencia por cambios en su posición: para determinar esos cambios, es necesario tener un sistema de referencia que permita fijar la posición del cuerpo, pues puede suceder que un móvil se desplace de una forma, con relación a cierto sistema de referencia, y de otra forma, con respecto al sistema.

Por ejemplo, una persona que se halla sentada en un vagón de un tren en marcha. Respecto a la vía , la persona cambia su posición: está en movimiento.

Así, tanto como el reposo como el movimiento son estados relativos: dependen del cuerpo en respecto del cual se refieren las posiciones del móvil. Como el estado de movimiento no depende solo del cuerpo, sino del sistema de referencia que, a su vez, puede estar en movimiento respecto de otro sistema, la ley de inercia no se cumple con respecto a cualquier sistema de referencia:

Pero es posible identificar sistemas de referencias o cuerpos en reposo, con respecto a los cuales se cumple la dicha ley. Se los denomina sistemas inerciales o galileanos.

Cada una de las estrellas visibles en el cielo nocturno puede pensarse como un cuerpo minúsculo , comparado con el espacio infinitamente grande que la rodea. Y hay estrellas que se hallan a miles de años luz de su compañera más próxima.  En tal estado de aislamiento cósmico , puede considerarse que sobre una estrella no actúa ninguna fuerza exterior. Es decir, en primera instancia, puede pensarse que no hay acciones mutuas entre esa estrella y el resto del universo.

Dada esta situación, y de acuerdo con el enunciado de la ley de la inercia, una estrella sobre la cual no actúa ninguna fuerza deberá moverse uniformemente y en línea recta, o bien estar en reposo.

Esta aparente contradicción o incumplimiento de la primera ley en consecuencia del hecho de que la Tierra no es un cuerpo adecuado para fijar un sistema de referencia inercial. En otras palabras, dado su movimiento, la Tierra no es el marco con respecto al cual sería posible corroborar el cumplimiento de la ley de la inercia de esas estrellas. Es en este sentido que se dice que la Tierra constituye un sistema no inercial.

La noción de inercia en Galileo.

Para formular su primera ley, Newton retomó las ideas acerca de la inercia desarrolladas por Galileo Galilei, quien sostenía que un cuerpo podía mantenerse por sí mismo en movimiento y que la acción  de una fuerza cambiaba su movimiento preexistente.

La idea de Galilei de que un cuerpo podía mantenerse en movimiento rectilíneo y uniforme ( es decir en velocidad constante) sin que existiera una causa perpetua era inimaginable para sus contemporáneos. Estos pensaban que solo los astros se producía un movimiento uniforme, pero no concebían que pudiera ser rectilíneo, consideraban que los astros giraban incesantemente en trayectorias circulares.

Galileo sostenía, además, que en los cuerpos existe cierta resistencia a cambiar de velocidad. En esta idea se halla el origen del concepto de la inercia, al que el sabio llegó a través de sus estudios del movimiento de un cuerpo en un plano inclinado. Corroboró que la aceleración que adquiere un cuerpo en un plano inclinado es siempre menor que la aceleración de la gravedad.

Galileo ideó una experiencia imaginaria, con una esfera y planos inclinados, para presentar su idea de que un cuerpo puede mantenerse en movimiento rectilíneo y uniforme.

Cambiando el ángulo de inclinación B de un plano inclinado, surgen diferentes valores de la fuerza F, que actúa sobre un cuerpo y hace que este se deslice sobre la superficie. Denominando, F1, F2…., Fn a las distintas intensidades de F de acuerdo con el ángulo que se incline el plano, y calculando el valor del cambio de velocidad que se produce en el cuerpo ( es decir, aceleraciones a1, a2…., an) Galileo halló que los cocientes son idénticos.

En otras palabras, la razón entre la fuerza aplicada y la respectiva  aceleración  observada  se mantiene constante.

Para generalizar, llamando  F a la intensidad de una fuerza que produce una aceleración a , y m al cociente hallado a través de la proporción se puede escribir:

F/a= m

O bien, si lo que se busca es la expresión de la intensidad de F

F= m . a

Es decir, dada la forma que tiene la relación entre la fuerza y la aceleración (la causa y el efecto del fenómeno observado) puede pensarse que con m se hace evidente la existencia  de cierta resistencia u oposición al cambio de velocidad.

Por otra parte, Galileo corroboró que el valor de m es propio de cada cuerpo. Y, como a esa resistencia al movimiento la llamó inercia del cuerpo, a la constante m la identificó como la constante de la inercia.

Ejemplo cotidiano de la inercia:

Un grupo de personas viaja en un vehículo que se detiene bruscamente. Al observarlo desde la calle, se ve que los pasajeros se proyectan hacia delante, porque sus cuerpos, en virtud de la inercia, tienden a continuar el movimiento con la misma velocidad de la que se estaba animado el vehículo. Análogamente, los viajeros se inclinarán hacia atrás, cuando el vehículo arranque bruscamente, debido a que su inercia tiende a mantenerlo en reposo, el estado en que se hallaba antes de iniciar su marcha.

La esfera inercial.

Un cuerpo medianamente pesado se suspende por medio de un hilo de un soporte fijo X. De la misma esfera cuelga, a su vez, otro trozo del mismo hilo con una argolla Y.

Si se tira rápidamente del extremo Y, el hilo se corta entre dicho punto y la esfera ( por ejemplo en Z).

Si en cambio, se tira rápidamente, se comunica a W una gran aceleración a; para esto es necesario aplicar una fuerza F de gran intensidad.

Por otra parte, al tirar lentamente, se comunica una aceleración a pequeña y, por lo tanto, la nueva fuerza aplicada F, resulta menos que la anterior, entonces, el hilo se alarga un poco sin romperse y la esfera W comienza a moverse. Pero sucede que el segmento superior del hilo debe soportar, además del peso Pw, la fuerza adicional F de intensidad F = mw . a  

El hilo no soporta ambas tensiones y se corta en algún lugar entre la esfera W y X.

Este ejemplo resulta útil para resaltar que, tal como se mencionó en el caso del movimiento en caída libre, cuando la fuerza actuante sobre un cuerpo es solo su peso P, la aceleración es la de la gravedad g. Por lo visto, P y g se relacionan a través  de la expresión, es decir:

P= m . g

Donde m es la constante de inercia del cuerpo.

La fuerzas de rozamiento y de inercia.

La ley de la inercia enuncia que, si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza exterior, este se halla en reposo o bien se mueve con velocidad constate, es decir, tiene aceleración nula. En otras palabras, la aceleración cero se cumple en:

...