5.4 - Sistemas de referencia no inerciales y fuerzas ficticias

Hola y bienvenido al proyecto Gustavo. Este es el podcast Física 1.

Tema 5. Dinámica 2. Aplicación de las leyes de Newton.

Apartado 4. Sistema de referencias no inerciales y fuerzas ficticias.

En el tema anterior, cuando estábamos con la primera ley de Newton, te comenté que era una condición necesaria para que las demás leyes funcionasen bien. Al comienzo de este mismo tema vimos un par de casos en que teníamos un sistema de referencia no inercial y al final pasaban cosas raras, como el ejemplo del ascensor, que parecía que uno engordaba o adelgazaba cuando entraba y pulsaba el botón.

Esos efectos se deben no al movimiento del cuerpo, sino al del sistema de referencia. ¿Significa eso que tenemos que huir de los sistemas de referencia no inerciales? ¿Tiramos a la basura a todos los que no cumplan la primera ley de Newton? No, no hay que llegar a tanto. Podemos seguir usando la segunda ley de Newton, pero con la condición de que a las fuerzas habituales de siempre les sumemos un conjunto de cosas llamadas fuerzas no inerciales, o fuerzas ficticias, esas que no tienen un origen definido pero parece como si fuesen reales. Cada una de esas fuerzas no inerciales será igual a la masa multiplicada por un término de aceleración no inercial.

Trabajar en un sistema de referencia no inercial es posible, y menos mal que lo es, porque si no sería un desastre. No podríamos explicar cómo funcionan los péndulos reales, esos que vemos en los museos de ciencia, no tendríamos forma de describir los huracanes, y los parques de atracciones tendrían que cerrar, porque allí todos son fuerzas no inerciales.

Estudiar los términos de aceleración no inercial con rigor es algo que se nos escapa aquí, porque nos faltan herramientas. Tendríamos que meter productos vectoriales, ni siquiera hemos visto el movimiento de rotación en profundidad, y además es algo muy aburrido.

Aún así podemos describirlos y ver cómo actúan. Por cierto, recuerda que los movimientos son relativos, así que cuando diga que un sistema de referencia no inercial se mueve, entiende que lo hace con relación a un sistema de referencia inercial, uno que cumpla la primera ley de Newton. Vamos a ver los términos de aceleración no inercial y luego solo tenemos que multiplicarlos por la masa del cuerpo para obtener las fuerzas no inerciales a que parece estar sometido.

En primer lugar tenemos el término de aceleración lineal. Aparece cuando el sistema de referencia se mueve con aceleración. El ejemplo típico es el avión que está en la pista y acelera para arrancar, o el ejemplo del péndulo en la furgoneta que vimos hace un par de apartados en este mismo tema, o el del ascensor también vale.

En segundo lugar lo que podemos llamar término de aceleración tangencial. La tenemos cuando la velocidad con que gira el sistema de referencia no inercial cambia con el tiempo. Me refiero a que gira más desprisa o más despacio. Podemos verlo en la Tierra, que va girando cada vez más lentamente, aunque en este caso el ritmo de frenado es tan lento que no nos damos cuenta. Necesitamos instrumentos de alta precisión para medirlo.

En tercer lugar tenemos el término de aceleración centrípeta, que se tiene cuando el sistema de referencia no inercial gira sobre un eje. El ejemplo típico es el de la centrifugadora.

Cuando ponemos la ropa a centrifugar, el agua siente esa fuerza no inercial que tiende a alejarla del eje de giro, a salir del tambor de la lavadora. También sirve para separar sustancias en un líquido, como en el caso de las donaciones de sangre. A veces lo que se necesita no es la sangre completa, sino sólo el plasma, el líquido. En ese caso se somete la sangre a un proceso de centrifugado en el que las partículas, los glóbulos rojos, las plaquetas y todo eso se decantan hacia un lado mientras que el plasma se queda en el otro.

Ya que he sacado el tema, mientras estoy haciendo este episodio tengo una donación de sangre en mi facultad. El centro regional de transfusión sanguínea viene de vez en cuando y monta su chiringuito en el hall, donde alumnos y profesores pueden pasar y contribuir. Aprovecho la oportunidad para animaros a todos a donar sangre, y agradecéroslo, es una actividad altruista que salva vidas.

Y a los que donáis plasma agradecimiento especial, porque os tenéis que pasar más de media hora mientras os sacan sangre, la centrifugan y separan el plasma. Cuando terminéis y os den el pulevín y la maritoñi para recuperar fuerzas, recordad que estáis haciendo algo bueno. De verdad, muchas gracias a todos.

Y después de este mensaje de servicio público, volvemos a la programación habitual.

Vamos a ver la aceleración centrípeta en un ejemplo a mayor escala. Ese ejemplo es nuestro propio planeta, la Tierra. Digamos que estamos en el hemisferio norte, a una cierta latitud, la que sea. Como la Tierra gira sobre su eje de rotación, giramos con ella con una aceleración centrípeta v cuadrado partido por r, donde r es la distancia al eje de rotación de la Tierra, no el radio de la Tierra. Eso es lo que ve un observador inercial fuera de nuestro planeta, todo normal. Pero, para un observador en la Tierra, es como si actuase una fuerza centrífuga igual a mv cuadrado.