Inerzia e gravitazione

Sk_Anonymous
Riporto dapprima questo esempio, tratto da un testo uiversitario italiano, che avevo già postato :


Nel vagone di un treno che viaggia a velocità costante v⃗ =cost rispetto alla Terra, c'è un lungo tavolo perfettamente liscio, addossato alla parete anteriore, su cui è posata una biglia anch'essa liscia, in quiete rispetto al vagone e ad un osservatore M in esso presente.
A terra c'è un osservatore F.
Ad un certo punto il vagone inizia a frenare, con decelerazione costante, fino all'arresto.
La biglia B, che era ferma rispetto ad M, muta la sua velocità rispetto al vagone accelerando e percorre il tavolo a velocita crescente, fino a urtare la parete.
M dice che, essendo cambiato lo stato di quiete di B rispetto a lui, una forza ha agito e l'ha fatta accelerare, pur non essendoci alcun sistema fisico che agisce su B ( una molla, una attrazione gravitazionale o elettrica...). E chiama "forza di inerzia" questa azione. E che si tratti di una forza è fuori di dubbio, poichè c'è bisogno di un'altra forza uguale e contraria, quella della parete, per arrestare la biglia e tenerla nuovamente in equilibrio rispetto al vagone.
Invece l'osservatore F a terra dice : la B ha continuato a muoversi con la velocità v⃗ che aveva prima, finchè non le è stata applicata una forza da parte della parete, di tipo impulsivo, per arrestarla col treno.

Come si vede, la "forza inerziale" è presa in considerazione solo da M, come causa dell'accelerazione di B, non dall'osservatore inerziale F. Per questo le forze inerziali sono dovute alla "non-inerzialità" del riferimento.


Spesso alcuni hanno obiettato dicendo : " Le forze inerziali non esistono! Se esistessero, rispetto al vagone in decelerazione tutto ciò che è fuori, pali, alberi, case...la stessa Terra, avrebbe bisogno di una forza spaventosa che le accelerasse in verso contrario! Perciò, la forza inerziale sulla palla è solo un escamotage adottato dall'osservatore interno al vagone, per giustificare il fatto che la palla si muove di moto accelerato" .

Poi però non spiegano la causa di quella accelerazione rispetto al vagone.

(Senza volerlo, e soprattutto senza saperlo, essi hanno adottato il punto di vista di Einstein : le forze inerziali non esistono. Su questo torno dopo, prima voglio dire un'altra cosa.)

Quelli che fanno l'obiezione, non hanno tuttavia difficoltà alcuna ad accettare il concetto newtoniano di forza-peso, e discutere di Fisica gravitazionale in maniera classica.

Dice Newton : una palla di massa $m$, lasciata libera, cade perchè pesa : $P=mg$, e quindi accelera con $g$. La forza peso è reale, e agisce con continuità fino quando la massa non si schianta al suolo.

Allora io dico ai signori di prima : eh no, caro mio! Se dici che le forze inerziali non esistono, devi anche dire che non esiste la forza peso. Non puoi essere metà newtoniano ( la palla cade per il peso) e metà einsteiniano! Spiego.

Cosa dice Einstein a proposito della palla che secondo Newton cade?

Dice Einstein : la palla sta seguendo tranquillamente la sua linea di universo, la sua geodetica, quando incontra la Terra che sta seguendo la "sua" geodetica, è accelerata (verso l'alto) e urta la palla. Non ci sono "forze gravitazionali" in giro. Non ci sono forze agenti sulla palla.

E non è forse la stessa situazione della sfera dentro al vagone del treno, valutata dal punto di vista di Einstein? La sfera sul tavolo segue la sua linea di universo (geodetica nello spaziotempo), finchè non incontra il treno , accelerato in verso opposto.Non ci sono "forze inerziali"in giro. [Se vogliamo by-passare il moto relativo tra treno e sfera, pensiamo pure a un automobilista che accelera al semaforo: rispetto a lui il mondo accelera all'indietro. Ma per Einstein non ci sono forze inerziali, c'è solo un campo di accelerazioni.]

E questo è quanto dicono coloro che però, d'altro canto, accettano invece il concetto newtoniano di peso.

Su un disco rotante di grande diametro, se ci limitiamo a considerare una porzione di superficie a distanza $R$ molto grande, di lati $dr$ e $Rd\theta$ , c'è nel sistema rotante un campo di accelerazioni centrifughe dato localmente da $\omega^2*R$. E secondo Einstein questo campo di accelerazioni equivale "localmente" a un campo gravitazionale di uguale intensità. Una particella messa lí dentro non sente una forza inerziale, subisce una modifica della Geometria locale ( che a velocita relativstica è iperbolica, si dimostra) e si muove in quello spazio tempo geometricamente modificato. Si chiama anche "Geometrodinamica" questo, secondo il termine coniato dal fisico americano J.A. Wheeler.
Ma secondo Newton, ormai dovrebbe essere chiaro, c'è nel riferimento rotante una forza inerziale centrifuga. Reale.

Allora due sono le cose: o diciamo che viviamo in un mondo newtoniano dove vale la Fisica classica, e quindi esiste la forza peso ed esistono le forze inerziali, con pari dignità e diritto di esistenza; o diciamo che viviamo in un mondo einsteiniano, dove i campi di forze non esistono, esistono sistemi di riferimento in moto accelerato, equivalenti localmente ad un campo gravitazionale diretto in senso opposto. In quest'ottica, ogni punto della Terra è in "moto accelerato" verso l'alto. Ma l'accelerazione a Roma è diversa da quella a Sidney.
Se poi vogliamo fare della Fisica in un riferimento inerziale, allora in un dato punto dello spaziotempo ci mettiamo in un riferimento ristretto, locale, che descriva la sua geodetica determinata dai campi gravitazionali ivi esistenti, e dentro questo riferimento la Fisica è quella della Relativita ristretta.
I riferimenti locali si devono intendere come le carte geogafiche di un atlante : queste descrivono localmente un pezzo di superficie terrestre, e si accavallano l'un l'altra. Nella zona di sovrapposizione, devono riprodurre la geografia locale alla stessa maniera.

Avanti signori, c'è posto.

Risposte
Sk_Anonymous
Emit, manca solo la "deviazione geodetica" e poi è tutto ok. Ho messo un 3d nuovo.

Mino, ma ne stiamo parlando da un sacco di tempo, dei LIF ! Ti ho messo tre link a tre corsi in Inglese, li hai guardati?

E la dispensa che ha messo Jo Jo, l'hai letta?

Mino_01
Ciao Nav
Leggere si, studiare è di più.

In vero cercavo un libro così da seguire dalla A alla Z il discorso formale
qualcosa il Mencuccini e Silvestrini però di RG...

acquistarlo e amen.

ecco tutto.

Poi ho difficoltà a studiare al computer e ancora dove abito poi stampare costa (0.2 euro a foglio) ...
Non ho dimenticato i vostri suggerimenti (non finirò mai di ringraziare).
La dispensa di Bergia è stata chiarificatrice, molto lineari i ragionamenti, naturali le conclusioni.
In merito non ho più dubbi.

Te credi che in rete siano più completi e aggiornati i riferimenti alla RG ?

Ciao
Mino

Sk_Anonymous
Se vai in rete, certamente trovi tanta roba, a partire da Wikipedia. Ma ti ci perdi anche, e se già non conosci un po' la materia dopo un po' non sai più da che parte rivoltarti, com succede per quei siti che ti rimandano a dei link i quali ti rimandano a altri link....in una catena continua di cui poi non sai più quale è la maglia iniziale.

Se vuoi qualche titolo di libro "divulgativo", ma comunque scritto bene (che io a volte trovo scritti meglio di tanti libri di testo!) sulla relativita, ti posso consigliare i seguenti :

Einstein- Relativita - esposizione divulgativa - ed Boringhieri
Sexl e Schmidt - Spaziotempo - ed Boringhieri ( ottimo per la RR, con quesiti stimolanti)
Sexl e Schmidt - Nane bianche, buchi neri -ed Boringhieri ( nelle prime pagine ci trovi la spiegazione sui LIF)
Arthur Eddington- Spazio, tempo e gravitazione -ed Boringhieri (questo libro, che ha quasi cent'anni, è una lucida e chiara introduzione ai concetti della RG, e sembra scritto ieri!)

Te ne potrei consigliare molti altri. Ad esempio quello di Brian Greene : La trama del cosmo-ed Einaudi

E non preoccuparti che siano divulgativi: non vuol dire che sono "facili" . Perché poi ci sono anche quelli più tecnici....

Per esempio, il capitolo finale del libro di Vincenzo Barone-Relativita-ed Boringhieri (collana di Mat Fis, libro molto tecnico e tosto) è dedicato ad una breve sintesi della Relativita Generale. Cercalo in qualche biblioteca.

Buona lettura, e comprati una stampante.

Mino_01
Grazie Nav sei sempre paziente ..
La stampante vorrei prenderla al laser per risparmiare. Dovrei metterla nella stanza di di mio figlio...
Da quanto si dice la polvere sottilissima del toner è cancerogena..

E cosi per ovvio motivo non la ho mai comprata.
Cordiali saluti
Mino

Sk_Anonymous
E pensa prima alla salute di tuo figlio!

emit1
Emit, manca solo la "deviazione geodetica" e poi è tutto ok.

Mi chiedevo se si potesse bypassare l'ostacolo immaginando che la massa che va incontro all'astronauta fosse perfettamente piatta e in posizione normale alla direzione dell'astronauta stesso e del suo libricino.

Sk_Anonymous
Capisco la tua idea.
Ma con la massa completamente piatta, non togli comunque la componente di deviazione proprio nella direzione "normale" alla superficie piatta, cioè la verticale, non trovi?
SE VALE la legge dell'inverso del quadrato, la $g$ diminuisce con l'aumentare della distanza dalla massa, e questo già solo nella Dinamica newtoniana.
Per togliere "tutte" le componenti di deviazione geodetica, devi avere $vecg$ rigorosamente costante, non solo nello spazio ma anche nel tempo. E non mi pare sia possibile.

Vienimi a trovare sul 3d delle "geodetiche e curvatura".

Faussone
"EMIT":
[...]
Proviamo per un attimo scordarci cosa sia un sistema inerziale e facciamo un'ipotesi cercando di costruirlo.
Un astronauta nello spazio profondo dove non ci sono campi gravitazionali e nessun punto di riferimento solo lui
in mezzo a questo mare di spazio.
Ora l'astronauta mette una mano in tasca e tira fuori un manuale di sopravvivenza. Sfila la mano dalla tasca
distende il braccio e apre la mano.
Si possono verificare tre eventi:

1) Il manuale rimane accanto alla sua mano
2) Il manuale si allontana da lui
3) Il manuale legato ad una sottile molla alla sua mano tende la molla

[....]



Mi viene in mente un altro esempio che ricorre spesso discutendo di sistemi inerziali e forze apparenti: consideriamo due pianeti, lontani da qualunque altra massa, uno rotante in moto relativo attorno all'altro.
Quale dei due risentirà della forza centrifuga e sarà pertanto schiacciato ai poli?
A secondo non solo di quale sistema di riferimento consideriamo, ma soprattutto di quale sistema di riferimento consideriamo dotato di velocità angolare, la forza apparente centrifuga sarebbe o meno avvertita.

In meccanica classica a questo quesito si risponde dicendo che il sistema di riferimento dotato di velocità angolare è quello che in effetti ruota rispetto allo spazio "assoluto" (le stelle fisse o il cosiddetto "etere") e pertanto solo il pianeta solidale a questo sistema rotante sarebbe schiacciato ai poli; in relatività di Einstein invece la risposta è diversa; io per inciso non la conosco assolutamente nei dettagli, ma mi pare porti a concludere che entrambi i pianeti sarebbero schiacciati ai poli).

Questo discorso ha a che fare con il Principio di Mach, secondo cui l'inerzia è un effetto di tutto il resto dell'universo sulla massa considerata, insomma secondo Mach se fosse possibile far ruotare tutto l'universo attorno ad un certo pianeta, comunque quel pianeta risentirebbe della forza centrifuga, pur essendo lui "fermo" e non rotante.
Pertanto il quesito iniziale come l'ho posto non avrebbe senso, in quanto non ha senso isolare i due pianeti dal resto dell'universo.
In ogni caso mi pare di aver sentito che neanche la relatività di Einstein segue il principio di Mach....
Ma sono cose che trascendono, e di molto, le mie scarse conoscenze di fisica.

Tutto questo per dire che insomma l'inerzia, i sistemi inerziali ecc. sono concetti tutt'altro che compresi a pieno.

Sk_Anonymous
"Faussone":
.........
Questo discorso ha a che fare con il Principio di Mach, secondo cui l'inerzia è un effetto di tutto il resto dell'universo sulla massa considerata, insomma secondo Mach se fosse possibile far ruotare tutto l'universo attorno ad un certo pianeta, comunque quel pianeta risentirebbe della forza centrifuga, pur essendo lui "fermo" e non rotante.
Pertanto il quesito iniziale come l'ho posto non avrebbe senso, in quanto non ha senso isolare i due pianeti dal resto dell'universo.
In ogni caso mi pare di aver sentito che neanche la relatività di Einstein segue il principio di Mach....
Ma sono cose che trascendono, e di molto, le mie scarse conoscenze di fisica.

Tutto questo per dire che insomma l'inerzia, i sistemi inerziali ecc. sono concetti tutt'altro che compresi a pieno.


Certo Faussone, è proprio così. Inerzia e gravitazione, due aspetti della stessa medaglia, (ovvero la stessa faccia di un'unica medaglia, secondo Einstein), sono visti in maniera differente da Newton, che li tiene separati. Il principio di Mach all'inizio colpí molto Einstein, che se non erro fu proprio lui a definirlo "principio" ,e lo ispirò all'inizio nei suoi pensieri sulla RG. MA poi se ne discostò. Il dibattito su quanta influenza abbia avuto il principio di Mach nella teoria di Einstein è tuttora aperto.
Per Newton, esisteva lo "spazio assoluto" e il "tempo assoluto", entità distinte. Per Einstein, esiste in un certo senso lo "spaziotempo assoluto", modificato continuamente dalla distribuzione di massa-energia dell'universo, e quindi "dinamico" : non c'è niente di "fermo" nell'universo, anche perché bisognerebbe parlare di "fermo" rispetto a uno "spaziotempo" che però è in modificazione.
L'idea di Newton, del secchio ruotante in cui la superficie dell'acqua assumerebbe la forma di un paraboloide solo a causa della rotazione, anche se l'universo fosse vuoto di materia, e quindi la rotazione è "assoluta" , contrapposta all'idea di Mach, per cui in assenza di materia la superficie dell'acqua rimane piana, pur ruotando il secchio, ovvero se il secchio è non ruotante ma è la materia dell'universo che gli gira attorno a formare il paraboloide ( per cui la rotazione non è assoluta, per Mach) non è evidentemente verificabile sperimentalmente.

E concordo, almeno ora, nel dire che inerzia e gravitazione sono lungi dall'essere ben capite. Anche perché la Scienza non spiega il "perché" delle cose. La Scienza non spiega perché esiste la gravitazione o l'inerzia, o perchè esiste qualcosa anziché il nulla. La Scienza è in grado, fino ad un certo punto, di spiegare "come" avvengono certe cose, non "perché" .

Anche la Relatività Generale fa lo stesso. Certo, è un passo in avanti rispetto a Newton, in quanto spiega la forza gravitazionale (e inerziale) come "curvatura" dello spaziotempo. La "geometrodinamica" appunto, come è stata definita da J.A. Wheeler. Ma spiega, non dice il "perché" .

Se vuoi leggere qualcosa di divulgativo, ma non facile, sull'argomento del secchio, Newton e Mach, mi permetto di consigliarti : "La trama del cosmo" di Brian Greene. Le pagine su questo argomento sono molte, e ci vuole grande attenzione per digerirle. Che a te non manca.
Altro libro bellissimo, anche se scritto quasi cent'anni fa : Arthur Eddington- spazio,tempo e gravitazione - ed Boringhieri
Poi naturalmente ci sono libri altamente tecnici.
Comincia a cercare in rete : "Dodici lezioni sulla Relativita- di F. Magri e Ghisi" . È abbastanza matematico.

Ti assicuro che quando ti impadronisci di queste idee, ti sembrano talmente belle che non le lasci più.
Ti farò diventare un einsteiniano convinto, come me.

Faussone
@navigatore

Grazie per i consigli sulle letture.

Riguardo alla Relatività Generale di Einstein non ho avuto mai il tempo e l'occasione per studiarla, ovviamente non metto affatto in dubbio la grandezza e "bellezza" di tale Teoria. Certo non occorre aspettarsi, come hai giustamente sottolineato, che una Teoria Scientifica spieghi tutti i perché, anche se può aiutare a vedere alcune cose da un'ottica più ampia e più congrua.
Spero quindi un giorno di avere il tempo, e poi la voglia, per dedicarmi a studiare la Relatività.
Oggi per il mio lavoro, e per le soddisfazioni che ne traggo, mi basta e mi avanza la Meccanica Classica.
Tra l'altro non bisogna sottovalutarla: molti di quelli che pretendono di capire i paradossi e le stranezze di teorie più complesse, spesso non conoscono così a menadito la Meccanica Classica, anche perché non è insegnata (specie nelle scuole medie superiori) un granché bene..

emit1
"navigatore":

Questo discorso ha a che fare con il Principio di Mach....


Mi stavo chiedendo come Mach avrebbe interpretato il semplice esempio che ho portato dell'astronauta e del suo libricino.
In analogia con il secchio rotante il sistema non inerziale sarebbe costituito dall'astronauta stesso e l'acqua dal libricino.
Il presupposto era senza dubbio il popolamento dell'universo di masse e energia anche a distanze di anni luce dall'astronauta secchio.
Il motivo della tensione del dinamometro e quindi la nascita e la rilevazione della forza fittizia l'avrebbe relazionata con
la presenza dell'universo intorno all'astronauta.
Come la curva che prende l'acqua nel secchio.
E' una interpretazione personale e fin qui nulla da dire.
Ma non e' finita ,infatti questa curva dell'acqua secondo la sua opinione si potrebbe creare anche facendo ruotare l'universo attorno al secchio.
In analogia se immaginiamo il nostro esempio, il dinamometro dovrebbe tendersi se l'universo lo facessimo accelerare rispetto all'astronauta.
E qui ci dovremo fermare un po'.
Secondo questa impostazione esisterebbe tra il libricino acqua e l'universo una relazione non ben definita come se l'universo
raggiungesse in qualche modo l'acqua ,la rendesse solidale con esso e la coinvolgesse nel suo moto.
Non avrebbe importanza a che distanza di anni luce dovrebbero trovarsi le masse dell'universo rispetto al secchio astronauta.(Non mi soffermo su interpretazioni strettamente personali che ricalcherebbero concetti gia' espressi)
Tutto cio' mi fa pensare che Mach avesse in qualche modo anticipato uno dei fondamenti della meccanica quantistica e cioe' l'interazione a distanza x tra due sistemi di riferimento.
Il comportamento di un protone di un atomo della molecola dell'acqua verrebbe in questo modo influenzato istantaneamente
dal comportamento di un protone appartenente ad una massa dell'universo,assomiglia molto all'entanglement quantistico.
Ma riprendiamo il nostro astronauta o il secchio.
Per non creare confusione riportiamoci al secchio.
Se Mach ha espresso questa sua opinione deve anche accettare che lo stesso valga se mettiamo in accelerazione il secchio in moto uniformemente accelerato.
Ecco la comparsa della forza fittizia che possiamo immaginare registrare se abbiamo un ipotetico dinamometro un po' particolare che lega le molecole d'acqua al secchio dalla parte della "depressione" dell'acqua.
Ora stando al suo pensiero se manteniamo "fermo" i secchio e mettiamo in moto uniformemente accelerato l' universo si dovrebbe avere lo stesso effetto e cioe' l'acqua che "sale" nel bordo piu' lontano del secchio rispetto alla direzione del moto dell'universo.
E qui nasce un problema.Vi ricordate il Global System (Per non ripetere sempre ..quel sistema all'interno del quale....)che ho "battezzato" ? E cioe' quel sistema completo dove all'interno potevano comparire le forze fittizie.....
Bene.Qui non ci siamo.
Ci riportiamo alla vecchia situazione del treno che "vede" gli alberi..i pali..la terra...soggetti a forze di inerzia.
E' per questo che non condivido l'impostazione di Mach.

emit1
@Navigatore

Che dici e' meglio che mi dia all'ippica.....

Sk_Anonymous
Ma no...magari ti succede che il cavallo ti faccia sperimentare inerzia e gravitazione tutt'insieme... :smt059

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