Concepto de física relativista
El concepto de física relativista se refiere a un caso particular de la física en descargala que los objetos no se comportan esencialmente como lo harían en la Tierra. Esto se debe a una serie de factores, pero se encuentra estrechamente relacionado con los descubrimientos del físico y matemático Albert Einstein. Dichos descubrimientos, en específico se limitan a la teoría de la relatividad, de donde recibe el nombre esta rama de la física. La teoría de la relatividad es aquella que relaciona la energía con la materia en la ecuación E = mc
Definición de física relativista
El concepto de física relativista es uno esquivo y lleno de callejones sin salida. En su definición más simple, la mejor forma de comprender esta rama de la física es mediante la comparación directa con la física clásica.Para la física clásica, el tiempo, el espacio y la distancia son magnitudes que únicamente dependen del sistema de referencia. Esto es a lo que Isaac Newton llamó un sistema de referencia inercial. Sin embargo, para la física relativista las magnitudes como velocidad, tiempo, distancia y espacio no pueden considerarse constantes, sino que dependen de la velocidad a la que viajen los objetos, del campo gravitacional al que estén sujetos, etc.
Se puede decir, entonces, que la física relativista recibe su nombre al hecho de que todas estas magnitudes y algunas otras son relativas, es decir, dependen de cada situación en particular.
Ejemplo de física relativista
Resulta más cómodo definir la física relativista con la magnitud del tiempo. Einstein enunció que si un objeto se aproximase a la velocidad de luz, el tiempo en sí mismo transcurriría más despacio. En cambio para la física clásica, el tiempo es una magnitud constante que siempre transcurre en la misma dirección (hacia adelante) y con una tasa de cambio constante, es decir, el tiempo transcurre de la misma forma para cualquier objeto.
RELATIVIDAD EN LA MECÁNICA CLÁSICA
Para la mecánica clásica de Newton:
1.La trayectoria y la velocidad de un móvil son relativas, puesto que dependen del observador.
2.El tiempo es absoluto, es el mismo para todos los observadores, decimos que es un invariante para los distintos sistemas de referencia.
Galileo enunció el siguiente principio (Principio de Relatividad de Galileo): “Es imposible poner de manifiesto, por experimentos mecánicos si un S.R. está en reposo o si se mueve con M.R.U. Las leyes de la física (de la mecánica) son las mismas en todos los S.R.I. “ Según este principio la velocidad será siempre relativa mientras no dispongamos de un S.R. que esté realmente en reposo.
Transformaciones en sistemas de referencia inerciales.
Un S.R. se dice que es inercial cuando está en reposo o se mueve con M.R.U. (Todos los sistemas no inerciales están acelerados con respecto a cualquier sistema de referencia inercial.) Las expresiones matemáticas que permiten relacionar las observaciones realizadas en S.R. distintos reciben el nombre de ecuaciones de transformación.
El tiempo, la masa, la aceleración y la fuerza son magnitudes que no cambian cuando pasamos de un S.R.I. a otro. Por eso reciben el nombre de invariantes de Galileo. Como consecuencia también son invariantes de Galileo los intervalos de tiempo y la distancia entre dos puntos fijos. La velocidad no es un invariante.
LIMITACIONES DE LA FÍSICA CLÁSICA
Las transformaciones de Galileo y las ecuaciones de Newton constituyen la base de la mecánica clásica. Las ecuaciones de Maxwell confirmaron el carácter ondulatorio de la luz y permitieron calcular de forma teórica su velocidad, c, en el vacío. Einstein puso de manifiesto que las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo estaban en contradicción con la ecuación de Galileo:
a) El carácter ondulatorio de la luz y el valor de su velocidad c son consecuencia de las soluciones de las ecuaciones de Maxwell en cualquier sistema de referencia, esto contradice las transformaciones de Galileo en que la velocidad no es un invariante.
b) La teoría de Maxwell predice la existencia de ondas electromagnéticas, las cuales se propagan a través del espacio libre con la velocidad de la luz. La teoría de Maxwell no necesita la presencia de un medio para que la onda se propague lo cual contrasta con las ondas mecánicas, que necesitan un medio de propagación.
Los físicos del siglo XIX propusieron una solución al conflicto. Consideraron que las ondas luminosas se propagaban en un medio especial, el éter, que estaba presente en cualquier parte. El éter estaba en reposo absoluto pues era el S.R. ideal para medir la velocidad absoluta de un móvil. Se pensaba que las ecuaciones de Maxwell eran válidas sólo en el sistema en reposo del éter.
La velocidad de la luz en el vacío era la velocidad en el sistema del éter en reposo, en otro sistema de referencia que se moviera con velocidad n con respecto al éter la velocidad de la luz vendría dada por la transformación de Galileo
v’=c-u
Sin embargo posteriores experimentos de Michelson y Morley para medir la velocidad de la Tierra respecto al éter indicaron que la velocidad de la luz era constante e independiente del movimiento del observador y de la fuente emisora.
Relatividad Especial y General para Aficionados
MECÁNICA RELATIVISTA: RELATIVIDAD ESPECIAL.
Einstein interpretó el fracaso del experimento de Michelson y Morley indicando que la velocidad de la luz es la misma para todos los sistemas inerciales. Es decir, que las ecuaciones de Maxwell se cumplen para todos los sistemas de referencia. En consecuencia se debe rechazar la transformación de Galileo y buscar una transformación correcta. También se debe rechazar la existencia del éter. Como resultado de la ausencia del éter y, por tanto, de un S.R. que permita definir el movimiento absoluto, nace la teoría de la relatividad basada en dos principios o postulados.
Postulados de la relatividad especial:
1 Las leyes de la física son válidas y tienen la misma expresión en todos los S.R.I.
2 La velocidad de la luz es la misma para todos los sistemas inerciales.
Transformación de Lorentz
Al suponer que la distancia y el tiempo ya no son absolutos hubo que deducir nuevas ecuaciones de transformación que reciben el nombre de transformación de Lorentz.
Consecuencias de las transformaciones de Lorentz
Dilatación del tiempo:
El tiempo de un sistema en movimiento (t) parece dilatarse respecto al tiempo medido en un sistema en reposo solidario con el observador(t’).
t=γ·t’
t’ se denomina tiempo propio, se define como el intervalo de tiempo entre dos sucesos medido por un observador que afirma que los sucesos ocurren en el mismo lugar (el medido en un S.R.I. en reposo con el fenómeno estudiado).
Contracción de la longitud:
La longitud propia (l’) de un objeto se define como la longitud de dicho objeto medida en el S.R.I. en el cual el objeto se encuentra en reposo. La longitud de un objeto en un S.R. respecto del cual el observador está en movimiento (l), siempre es menor que la longitud propia. Este fenómeno se denomina contracción de la longitud.
l=l’/γ
La relatividad no afecta a las longitudes perpendiculares al movimiento, son las longitudes paralelas al desplazamiento las que parecen contraídas (contracción de Fitzgerald-Lorentz)
Masa relativista:
Einstein demostró que la masa de un objeto en movimiento aumenta. De la teoría de la relatividad se deduce que si la masa de un objeto es medida por dos observadores distintos, que están moviéndose uno respecto del otro, los resultados son distintos. La masa no es invariante depende de la velocidad.
Fuentes
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