jue

14

feb

2013

¿Cómo Funciona? (3): A qué velocidad se transmiten las Fuerzas

Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, parece intuitivo pensar que esa interacción se produce inmediatamente, es decir, que cuando un palo de Golf toca la pelota, ésta recibe el efecto del impacto en un tiempo cero: nada más tocarse, la energía del palo se transmite a la pelota, haciendo que ésta salga disparada. Pero, por otro lado, nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz (ni siquiera la energía), así que se plantea esta cuestión: ¿A qué velocidad se transmiten las fuerzas?

Si nos sumergimos en el mundo infinitesimal de la mecánica cuántica, tratando de observar lo que sucede a escala supermicroscópica, notaremos que aquello que nos parece lógico e intuitivo en nuestro mundo real, no lo es tanto.

 

El problema es el siguiente: imaginemos un palo de Golf que avanza hacia una pelota dispuesta para ser golpeada (despreciaremos los efectos del aire para entenderlo mejor). Debe haber un instante en el que el palo y la pelota se encuentren a la menor distancia posible (Tal vez el espacio de Planck?). Una vez superada esa minúscula distancia, el palo toca la pelota, y la energía cinética del primero, se transmite a la segunda. Esta transmisión de energía de un objeto a otro, se lleva a cabo de manera instantánea (velocidad infinita) o hay una diferencia de tiempo entre un instante y otro?

En realidad, el palo y la pelota nunca consiguen tocarse. Antes de que los electrones de los átomos más exteriores de ambos objetos se toquen, la fuerzas de repulsión eléctrica (electrón contra electrón) comienzan a hacer su efecto impidiendo que los átomos se toquen entre sí. De hecho, aunque así nos lo parezca en el mundo al que estamos acostumbrados, los objetos nunca llegan a tocarse, porque siempre existe entre ellos una ínfima distancia de separación.

 

Entonces nos planteamos una segunda pregunta: si los objetos nunca llegan a tocarse del todo, ¿En qué momento comienzan a repelerse? ¿A qué distancia, los átomos de la pelota de Golf sienten la aproximación del Palo?. La respuesta, nuevamente, no resulta muy intuitiva, porque en realidad, la pelota nota la fuerza desde una distancia "Infinita".

 

Y si esa distancia es infinita, ¿Por qué la pelota no se mueve mucho antes de que el palo se acerque a ella? Porque, aparte de la fuerza de repulsión, hay otras fuerzas que impiden que esto suceda.

En este caso, y viendo lo difícil que resulta calcular la velocidad de  la transmisión de una energía en objetos que se ven repelidos desde distancias infinitas, vamos a imaginar un caso en el que no existan fuerzas de repulsión: Imaginemos dos péndulos hechos con neutrones, cuyas cargas eléctricas nulas no se pueden repeler mutuamente.

 

Para calcular la velocidad a la que se trasmite la energía de un péndulo al otro, bastaría determinar con exactitud en instante justo del impacto y medir el tiempo que el segundo péndulo tarda en moverse desde que recibe el impacto. Pero, por  muy avanzada que esté la tecnología moderna, no existe reloj lo bastante preciso como para medir el tiempo que transcurre entre el contacto de los dos péndulos y el instante en el que el segundo péndulo se mueve

Para calcular esta velocidad de transferencia de energía cinética, sería necesario determinar el menor espacio posible y el tiempo que tarda en transmitirse la energía. Ello nos llevaría a medir un espacio casi infinitamente pequeño (Δe) y dividirlo entre un tiempo igualmente ínfimo  (Δt)

Pues resulta que el espacio más pequeño que puede (en teoría) ser recorrido, no es otra cosa que la "longitud de Planck" (espacios más pequeños resultan imposibles de operar en la física moderna más avanzada). Este espacio tan pequeño viene a ser "la longitud que recorre la luz en el tiempo de Planck, y equivale aproximadamente a 1,6x10-35 metros. Es un espacio tan pequeño, que sólo nos damos cuenta de ello cuando lo comparamos con el diámetro de un electrón, 4x10-15 metros, o sea trescientos trillones de veces más grande!!!

Una vez que hemos medido este minúsculo espacio, necesitaríamos cronometrar el tiempo que nuestra volátil fuerza tarda en recorrerlo, o en manifestarse al "otro lado" del espacio. Pero por mucho que nos esmeremos, jamás podríamos medir este tiempo (al menos por ahora), ya que teóricamente, tiempos inferiores al "tiempo de Planck" resultarían imperceptibles para cualquier sistema de medición. El "Tiempo de Plank" se define como el tiempo que tarda la luz en recorrer el espacio de Plank, y equivale aproximadamente a 5,4x10-44 segundos, o sea, una auténtica miseria, sólo comparable con el tiempo que transcurre desde que el semáforo se pone en verde, hasta que el taxista que llevas detrás hace sonar su bocina.

Muchos fueron los científicos que teorizaron con este fenómeno, Desde Newton, hasta Gauss, Laplace, Lonretz y otros más, se preguntaron si las fuerzas, y en especia, la Fuerza de la Gravedad, se transmitían de forma instantánea (velocidad infinita), o adquirían cualquier otro valor. El problema se abordó suponiendo que la fuerza de la Gravedad era sencillamente una radiación (radiación gravitacional) y por tanto, sus efectos debían seguir las mismas pautas que el resto de las radiaciones, es decir, su velocidad de transmisión debía ser igual a la velocidad de la luz. En 1898, el físico Paul Gerber calculó la velocidad de avance de las ondas gravitacionales usando métodos astronómicos y matemáticos, obteniendo el valor de 305.000 km/s, muy próximo a la velocidad de la luz (aunque no fue un cálculo muy acptado)

Por su parte, el físico Hendrik Lorenz se introdujo en este problema al percatarse de que las fuerzas de atracción de dos cargas opuestas, eran mayores que la repulsión de dos cargas iguales, lo que intentó resolver usando las ecuaciones del campo electromagnético de Maxwell, deduciendo con ello que las fuerzas se transmiten a la velocidad de la luz.

 

Actualmente, la velocidad del campo gravitacional ha podido ser medida usando métodos astrofísicos: se puede comprobar que las órbitas de algunas estrellas binarias decaen lentamente, lo que hace pensar que este decaimiento se debe a la pérdida de la energía gravitatoria. Los cálculos llevados a cabo en este sentido indican nuevamente que la gravedad se transmite a la velocidad de la luz.

Se han obtenido experimentalmente resultados muy parecidos en lo relativo a las fuerzas de atracción o repulsión de cargas eléctricas o en la conversión de materia en energía (reacciones nucleares). No es de extrañar, puesto que como ya postulase Albert Einstein, si la Materia es una forma singular de Energía, y ambas están relacionadas con la velocidad de la luz, cualquier fenómeno material o energético debe cumplir con la misma condición.

 

Cuando golpeamos una pelota de Golf con un palo, estamos transfiriendo energía cinética de uno a otro, pero esta energía no discurre con velocidad instantánea, sino en función de la velocidad de repulsión de las cargas de los átomos que las componen, esto es, la velocidad de la luz.

 

Jon Álvarez. Canal de Ciencias

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Comentarios: 4
  • #1

    Tomás (domingo, 17 febrero 2013 03:21)

    ¿Nos olvidamos de la cantidad de movimiento? Hay una teoría de choques preciosa en mecánica clásica. Que sigue funcionando.

  • #2

    canaldeciencias (domingo, 17 febrero 2013 13:51)

    Gracias, Tomás... he omitido la cantidad de movimiento a propósito, para no liarla más, ni salirme del propósito principal... es que si no, una cosa lleva a la otra, otra a otra más y así no terminaría nunca...

  • #3

    PAULO (jueves, 25 junio 2015 19:33)

    Gracias! Buen articulo
    No soy cientifico pero siempre me ha interesado mucho el tema de la gravedad y una de las dudas que tenia es la velocidad a que se transmite. Entonces si la gravedad se transmite a la velocidad de la luz, un objecto acelerando a velocidades cercanas a la luz se atrairia a si mismo y podria pasar algo similar como cuando el avion supersonico pasa MACH1 que se escucha un trueno por escuchar sus proprios sonidos enviados recientemente?
    De esa forma el objecto se podria ver afectado por sus propias "ondas" gravitacionales. O es muy tonto lo que estoy diciendo?
    Y por otro lado, un objecto viajando a velocidades cercanas a la luz, como percibe los campos gravitacionales externos?

  • #4

    canaldeciencias (jueves, 02 julio 2015 15:43)

    Muy interesante cuestión, Paulo. Realmente, habría que calcular qué sucedería en ese caso... la verdad, es que nunca me lo había planteado.
    Sin embargo, en un ejercicio real, ésto no podría suceder, porque la materia no puede viajar a la velocidad de la luz, y ten en cuenta que la gravedad sólo está generada por la materia. Los únicos fenómenos que pueden alcanzar la velocidad de la luz son las energías (como la luz) o los campos (la gravedad), pero nunca la materia, así que jamás podremos observar ese fenómeno.
    Por otra parte, si consiguiéramos lanzar una pelota a la velocidad de la luz, todos sus componentes subatómicos se pulverizarían, porque la pelota esta aglutinada sobre sí misma gracias a fuerzas de atracción de sus cargas eléctricas y fuerzas nucleares de sus átomos... si haces que estos átomos se alejen unos de otros a la velocidad de la luz, las fuerzas de cohesión se verían neutralizadas por la velocidad de escape y se separarían entre sí, incluso al nivel de los quarks y más allá, no quedando nada de materia y pasando todo a convertirse en energía (luz) que como sabes, no dispone de gravedad. Un saluddo