Marco de Referencia Inercial: definición y ejemplos

Publicado el 30 abril, 2024 por Rodrigo Ricardo

Física

¿Qué es el marco de referencia inercial?

El marco de referencia inercial es un concepto necesario para describir las leyes físicas del movimiento. Para abordar la cuestión de qué es el marco de referencia inercial, primero hay que establecer el significado de inercia. La ley de inercia se expresa comúnmente como la tendencia de un objeto en reposo a permanecer en reposo y de un objeto en movimiento a continuar recto en su trayectoria actual de movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Ésta es una de las ideas fundamentales de la física. El marco de referencia inercial se refiere al entorno externo del objeto. Al realizar cálculos matemáticos para describir el movimiento de un objeto, se puede representar dentro de un sistema de coordenadas. Este sistema de coordenadas en el que está representado el objeto es el sistema de referencia inercial. Hay algunas características distintivas de un marco de referencia inercial.

Los marcos de referencia inerciales son homogéneos e isotrópicos. Las mismas propiedades se aplican en todas las ubicaciones y en todas las direcciones dentro del marco.
No hay aceleración del marco.
La ley de inercia se cumple dentro del marco.
Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.

Definición del marco de referencia

Para describir el movimiento de un objeto, debe existir un marco de referencia con el que se pueda comparar. En el mundo físico, el marco de referencia incluye el entorno externo del objeto de interés. Por ejemplo, si una bola de boliche rueda por la pista, el marco de referencia incluye la superficie del suelo de la pista. En el estudio de la física, un sistema de referencia es simplemente un conjunto de coordenadas que se utilizan para determinar propiedades como la posición y la velocidad. Un marco de este tipo normalmente incluye ejes que definen las tres dimensiones del espacio dentro del marco de referencia.

Ejemplo de marco de referencia inercial

Un ejemplo de marco de referencia inercial es el andén de un tren. La plataforma está inmóvil, por lo que cumple el criterio de no aceleración. Los objetos sobre la plataforma siguen la ley de la inercia. Una bola que rueda sobre la plataforma seguirá rodando a velocidad constante hasta que una fuerza externa actúe sobre ella. Un banco sobre la plataforma no se moverá sin la acción de alguna fuerza externa. Esto sería válido para toda el área de la plataforma. Un tren que se acerca al andén también sigue las leyes de la inercia. Sólo frena cuando se aplica la fuerza de los frenos. Sin esta fuerza, continuaría pasando la plataforma a velocidad constante. Un sistema de referencia inercial puede exhibir movimiento, siempre que ese movimiento tenga una velocidad constante y mantenga su dirección de viaje. Un ejemplo de esto es un automóvil configurado en control de crucero para mantener un ritmo constante mientras viaja en una carretera recta.

Marco de referencia no inercial

Un sistema de referencia no inercial es aquel que exhibe aceleración, que es cualquier cambio en la velocidad o dirección. Esto es lo opuesto a un sistema de referencia inercial, en el que no hay aceleración. Otra diferencia en un marco de referencia no inercial es que la ley de inercia parece no cumplirse. Puede parecer que un objeto sufre un cambio de movimiento sin la acción de ninguna fuerza externa. Sin embargo, esto es en realidad un efecto de inercia. El objeto sigue la ley de inercia y continúa en su estado actual mientras el marco acelera, provocando un cambio aparente en el movimiento del objeto. Un ejemplo de esto es un carrusel. Sentado en un carrusel o en un tiovivo, uno puede sentir la sensación de ser arrastrado hacia afuera sin ser realmente arrastrado por nada ni nadie. Esto se debe a que el cuerpo permanece inmóvil mientras el vehículo gira.

Ley de Newton y marcos de referencia

La ley de inercia descrita en el párrafo inicial es la primera de las Leyes del Movimiento de Newton, las tres leyes que forman la base de la física clásica. El marco de referencia inercial surge como concepto de esta ley. Debido a que todo movimiento es relativo, debe haber un marco de referencia con el cual comparar un objeto para poder decir que su movimiento permanece constante, como establece la primera ley de Newton. Por tanto, la primera ley de Newton define un marco de referencia inercial. La segunda ley de Newton establece que la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza que experimenta e inversamente proporcional a su masa. Según la tercera ley de Newton, si un objeto ejerce una fuerza sobre otro objeto, el segundo objeto ejerce una cantidad igual de fuerza sobre el primer objeto. A veces se hace referencia a esto como fuerzas iguales y opuestas porque las dos fuerzas tienen magnitudes equivalentes pero actúan en direcciones opuestas. Las tres leyes del movimiento de Newton sólo son válidas dentro de un marco de referencia inercial.

Fuerzas ficticias

Las fuerzas ficticias no son fuerzas reales. Son sensaciones o efectos de la ley de la inercia cuando existe un sistema de referencia no inercial. Aunque no son fuerzas reales, se describen como tales porque, en estas situaciones, el movimiento del objeto en cuestión parece cambiar. Sin embargo, el objeto en realidad sigue la ley de inercia. Por ejemplo, un pasajero en un automóvil parece estar inmóvil aunque se mueve con el automóvil. Si el conductor del coche frena bruscamente, el pasajero seguirá avanzando. El automóvil crea un marco de referencia no inercial a medida que sufre una aceleración negativa (desaceleración). La persona puede sentir como si una fuerza la empujara hacia adelante, pero es su propia inercia la que en realidad está causando el movimiento hacia adelante. Otra fuerza ficticia es la fuerza centrífuga. Esto se describió en el ejemplo del sistema de referencia no inercial de un carrusel. El movimiento de rotación del carrusel combinado con la inercia de los pasajeros tiene el efecto de una fuerza aparente que empuja a los pasajeros hacia afuera. Una bola colocada en el carrusel se caería del borde no debido a ninguna fuerza sobre ella, sino a su propia inercia.

Resumen de la lección

La primera ley del movimiento de Newton establece que un objeto mantendrá su estado de movimiento constante o ningún movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Esta propiedad de todos los objetos de continuar en el estado actual se conoce como inercia. En base a esta propiedad, se define un sistema de referencia inercial. Los marcos de referencia inerciales son aquellos en los que los objetos observados siguen la primera ley de Newton. Para que esto sea cierto, el marco no debe estar acelerando. Un ejemplo de esto es una superficie plana como una mesa sobre la que se hace rodar una pelota. Las tres leyes del movimiento de Newton sólo son verdaderas en un marco de referencia inercial.

Si el sistema exhibe aceleración entonces es un sistema de referencia no inercial. Un tren que se aleja de un andén es un ejemplo de sistema de referencia no inercial. En tales marcos de referencia surgen fuerzas ficticias. Estas no son fuerzas reales, sino efectos de la propiedad de la inercia. La fuerza centrífuga es la fuerza ficticia que se produce cuando un marco de referencia exhibe una aceleración de rotación, como un automóvil que gira en una esquina. Los pasajeros pueden sentir la sensación de ser arrastrados, pero en realidad es su inercia lo que les hace moverse a lo largo de su trayectoria actual a medida que el automóvil gira.

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