Principio de relatividad (Transformaciones de Galileo)
Siguiendo nuestro camino, en el día de hoy vamos a tener un marco de referencia que se mueve con velocidad constante respecto a otro.
Nuestro esquema de los marcos de referencia es el siguiente:
Donde el marco de referencia rojo se mueve con velocidad constante respecto al azul, y la distancia entre ambos se representa como:
Acá d representa la distancia, y surge la relación d=vt que nos va a permitir definir las transformaciones de Galileo.
Para el observador situado en el sistema en movimiento las transformaciones son de la forma:
Donde el marco de referencia rojo se mueve con velocidad constante respecto al azul, y la distancia entre ambos se representa como:
Acá d representa la distancia, y surge la relación d=vt que nos va a permitir definir las transformaciones de Galileo.
Para el observador situado en el sistema en movimiento las transformaciones son de la forma:
x′=x−vt
Esta primera transformación nos muestra como el observador en el marco de referencia en movimiento (rojo) mide los efectos en el marco de referencia en reposo (azul), donde a la distancia que se encuentra el marco en reposo le restamos la distancia que se movió en un determinado tiempo. Para el observador situado en el sistema en reposo será:
Esta primera transformación nos muestra como el observador en el marco de referencia en movimiento (rojo) mide los efectos en el marco de referencia en reposo (azul), donde a la distancia que se encuentra el marco en reposo le restamos la distancia que se movió en un determinado tiempo. Para el observador situado en el sistema en reposo será:
x=x′+vt′
Luego también el marco de referencia en reposo (azul) mide los efectos en el marco de referencia con velocidad constante; entendemos para ambos observadores que ±vt quiere decir la distancia que se ha movido el marco de referencia en un tiempo determinado además que se puede alejar y/o acercar a velocidad constante. Para nuestro caso de las transformaciones de Galileo, el tiempo será ,absoluto y por lo tanto igual en todos los marcos de referencia.
t=t′
Para esto vamos a considerar los siguientes ejemplos:
Luego también el marco de referencia en reposo (azul) mide los efectos en el marco de referencia con velocidad constante; entendemos para ambos observadores que ±vt quiere decir la distancia que se ha movido el marco de referencia en un tiempo determinado además que se puede alejar y/o acercar a velocidad constante. Para nuestro caso de las transformaciones de Galileo, el tiempo será ,absoluto y por lo tanto igual en todos los marcos de referencia.
t=t′
Para esto vamos a considerar los siguientes ejemplos:
1.Vamos a comprobar que la segunda ley de Newton es valida para un sistema que se mueve con velocidad constante respecto a uno en reposo. En el marco en reposo se tiene:
F=F
md2xdt2=md2xdt2
En el marco en movimiento se mide de la forma:
x′=x−vt
Realizamos los respectivos cálculos respecto al marco en movimiento:
F=F
md2x′dt2=md2x′dt2
md2x′dt2=md2dt2(x−vt)
md2xdt2=md2x′dt2−vd2t′dt2
Y la segunda derivada es cero, por lo tanto llegamos a la igualdad:
md2x′dt2=md2xdt2
Luego ambos marcos de referencia pueden medir la misma ley de Newton.
d2x′dt2=d2xdt2
F′=F
Así vemos que las leyes de newton se cumplen estando en reposo o con movimiento uniforme respecto a un observador inercial.
Las transformaciones de Galileo nos ayudan a entender el principio de inercia que se puede enunciar de la siguiente manera:
2.Ahora vamos a comprobar también que la fuerza de Hooke se cumple en ambos sistemas de referencia; en el marco en reposo tenemos:
F=F
−k(x2−x1)=−k(x2−x1)
En el marco en movimiento tenemos:
−k(x′2−x′1)=−k(x′2−x′1)
F=F
md2xdt2=md2xdt2
En el marco en movimiento se mide de la forma:
x′=x−vt
Realizamos los respectivos cálculos respecto al marco en movimiento:
F=F
md2x′dt2=md2x′dt2
md2x′dt2=md2dt2(x−vt)
De acuerdo a la linealidad del operador diferencial:
md2x′dt2=md2xdt2−d2(vt)dt2
Como v es constante:md2xdt2=md2x′dt2−vd2t′dt2
Y la segunda derivada es cero, por lo tanto llegamos a la igualdad:
md2x′dt2=md2xdt2
Luego ambos marcos de referencia pueden medir la misma ley de Newton.
d2x′dt2=d2xdt2
F′=F
Así vemos que las leyes de newton se cumplen estando en reposo o con movimiento uniforme respecto a un observador inercial.
Las transformaciones de Galileo nos ayudan a entender el principio de inercia que se puede enunciar de la siguiente manera:
Todo cuerpo libre de fuerzas puede estar en reposo o moviéndose con velocidad constante respecto a un observador estático.Esto quiere decir que es imposible diferenciar si nos encontramos en un marco de referencia en reposo o con velocidad constante.
2.Ahora vamos a comprobar también que la fuerza de Hooke se cumple en ambos sistemas de referencia; en el marco en reposo tenemos:
F=F
−k(x2−x1)=−k(x2−x1)
En el marco en movimiento tenemos:
−k(x′2−x′1)=−k(x′2−x′1)
Aplicamos las transformaciones de Galileo:
−k(x′2−x′1)=−k((x2−vt)−(x1−vt))
−k(x′2−x′1)=−k(x2−vt−x1+vt)
−k(x′2−x′1)=−k(x2−x1)
Es así como en ambos sistemas de referencia (o marcos de referencia) las leyes de la naturaleza van a ser las mismas, sin importar en que marco inercial nos encontremos.
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