5.15: Marcos de referencia no inercials

Un marco de referencia que está acelerando o desacelerando con respecto a un marco de referencia inercial es un marco no inercial. Para entender esto, considera lo que tienen en común el despegue en un avión, dar una vuelta en un automóvil, montar en un carrusel y el movimiento circular de un ciclón tropical. Todos estos sistemas están acelerando, desacelerando o rotando con respecto a la Tierra; por lo tanto, todos son marcos no inercials. Todos estos sistemas exhiben fuerzas inercials, que parecen surgir del movimiento, porque el marco de referencia del observador está acelerando o rotando. Podemos conciliar estos puntos de vista examinando los marcos de referencia utilizados. Un físico elegirá el marco de referencia que sea más conveniente para la situación que se está analizando. Los físicos no tienen problema en incluir fuerzas inercials y la segunda ley de Newton, como de costumbre, si eso es más conveniente. De manera similar, se utilizan marcos de referencia no inercials (acelerados) cuando es útil. Se deben considerar diferentes marcos de referencia, por ejemplo, al discutir el movimiento de un astronauta en una nave espacial que viaja a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, ya que esto se aplica a la teoría especial de la relatividad.

La Tierra puede usarse como un marco de referencia inercial sin preocuparse demasiado por los efectos causados por su rotación. Sin embargo, existen dichos efectos, por ejemplo, en la rotación de los sistemas meteorológicos. Vista desde arriba del Polo Norte, la Tierra gira en sentido antihorario, y cualquier movimiento en el Hemisferio Norte de la Tierra experimenta una fuerza de Coriolis hacia la derecha. Lo contrario ocurre en el Hemisferio Sur, donde la fuerza es hacia la izquierda. Debido a que la velocidad angular de la Tierra es pequeña, la fuerza de Coriolis suele ser insignificante, pero tiene efectos sustanciales para movimientos a gran escala, como los patrones de viento. La fuerza de Coriolis hace que los huracanes en el Hemisferio Norte giren en sentido antihorario, mientras que los ciclones tropicales en el Hemisferio Sur giran en sentido horario.

La rotación de los ciclones tropicales y el camino de una pelota en un carrusel también se pueden explicar igualmente mediante la inercia y la rotación del sistema debajo. Cuando se utilizan marcos de referencia no inercials, se deben inventar fuerzas inercials, como la fuerza de Coriolis, para explicar el camino curvo. No hay una fuente física identificable para estas fuerzas inercials. Cuando se utilizan marcos de referencia inercials, la inercia explica el camino y hay una fuente identificable para cada fuerza. Podemos usar cualquiera de los puntos de vista para describir la naturaleza, pero una vista en un marco de referencia inercial es más simple, ya que todas las fuerzas tienen orígenes y explicaciones.

Este texto está adaptado de Openstax, University Physics Volume 1, Sección 5.6: Fuerzas comunes y Sección 6.3: Fuerza centrípeta.

Recordemos que los marcos de referencia en los que se cumplen las leyes de Newton se conocen como marcos inerciales. Sin embargo, hay marcos de referencia que desafían las leyes de Newton, llamados marcos de referencia no inerciales.

Los bastidores no inerciales aceleran o desaceleran en relación con los bastidores inerciales.

Por ejemplo, cuando un avión despega, los pasajeros sienten una fuerza hacia atrás opuesta a la aceleración del avión. Esto viola la segunda ley de Newton según la cual los objetos se aceleran en la dirección de la fuerza externa neta.

En los marcos no inerciales, las fuerzas inerciales o ficticias que no tienen origen físico son necesarias para explicar el movimiento de los objetos. Entonces, en mecánica, es más conveniente usar un marco inercial.

Idealmente, un marco de referencia fijado a la Tierra no es inercial debido a su revolución y rotación. Sin embargo, las fuerzas debidas a la rotación de la Tierra son insignificantes en pequeños movimientos mecánicos, pero afectan a movimientos a gran escala como los patrones de viento.

La fuerza ficticia en este marco desvía el viento en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio norte y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio sur.