¿Qué es un Sistema de Referencia en Física?

Un caluroso saludo desde La Villa del Rosario (Municipio Rosario de Perijá del Estado Zulia - Venezuela) para todos mis Steemians-Lectores. Particulares y sinceros saludos para toda la comunidad de #stem-espanol. Las definiciones de partícula y Sistema de Referencia, entre otras, son de vital importancia en la Física. De su clara comprensión depende que podamos entender, con facilidad y profundidad, toda aquella teoría donde estas definiciones estén involucradas. Ya en el pasado post hice lo propio con la definición de Partícula, esta vez dedicaré mi post a la definición de Sistema de Referencia.

He estado aprendiendo cómo hacer mis propios gifs animados. En este post presento mis muy humildes primeros trabajos al respecto. Con el transcurrir del tiempo, seguramente aumentaré mis habilidades y mis gifs animados serán cada vez más elaborados.

Mis estimados y atentos Steemians-Lectores, el movimiento es uno de los fenómenos físicos más notorios en nuestro derredor, pues en nuestro universo abunda este fenómeno y es esta unas de las razones por las cuales el hombre puso su atención sobre el mismo. Podemos ver el movimiento del Sol y la Luna al atravesar el cielo de lado a lado, el movimiento de las eventuales estrellas fugaces y el de los escasos cometas, que pocos hemos tenido la dicha de observar. Observamos el movimiento de las hojas de los árboles en un día ventoso, el movimiento de las aves y de los aviones. Hemos podido observar, mediante sofisticados instrumentos, el movimiento de la sangre en nuestro cuerpo, el movimiento del corazón y los pulmones. Hemos podido observar también el movimiento de los microorganismos y de las partículas que constituyen toda la materia presente en nuestro infinito universo. Es inmensa, yo diría infinita, la lista de ejemplos donde podemos observar el movimiento ya que parece estar presente en todo.

La primera gran teoría de la Física fue dedicada al estudio del movimiento de los cuerpos materiales: La Mecánica de Newton, elaborada por el genio más grande de la Física, Sir Isaac Newton (1643 – 1727) e inmortalizada en su gran obra científica Philosophiae Naturalis Principia Mathematical (1687).

Particularmente, me fascina el estudio del movimiento y es por eso que siento especial atracción por la Mecánica Clásica, La Relatividad (Especial y General) y la Mecánica Cuántica. Mi interés y mi entusiasmo por estas áreas de la Física, siempre trato de transmitirlos a mis estudiantes de Mecánica Clásica en la Universidad. Es realmente gratificante poderte dedicar a una labor que te llena y te causa interés.

Son muy notorios también, como muchos de mis Steemians-Lectores lo saben, los experimentos realizados por Galileo Galilei (1564 - 1642) y sus ideas referentes al estudio del movimiento.

Son muy nombrados en los textos de Física: (1) el Experimento de la Torre de Pisa, en el que, arrojando dos objetos, uno pesado y el otro ligero, comprueba que ambos caían al suelo al mismo tiempo (no hay constancia histórica de que Galileo realizara dicho experimento); (2) el Experimento del Plano Inclinado por el cual demuestra que los cuerpos caen con una aceleración constante; o, en la forma en que él lo expresó, que cuerpos ideales -sobre los que no actúan fuerzas de rozamiento ni ningún otro factor que interfiera en la caída- recorrerán al caer una distancia que aumenta con el cuadrado del tiempo transcurrido y (3) su muy famosa frase eppur si muove (y sin embargo, se mueve), dicha en los momentos en que se enfrentaba al Tribunal de la Santa Inquisición por sus afirmaciones acerca del movimiento de la Tierra, después de abjurar de la visión heliocéntrica del mundo.

Bien mis atentos Steemians-Lectores, una definición física muy importante y crucial para estudiar el movimiento de los cuerpos es la definición de Sistema de Referencia. El objetivo del presente post es dar una respuesta clara a la pregunta ¿Qué es un Sistema de Referencia? que, al igual que la definición de Partícula, suele ser poco clara en los cursos de Física a nivel de secundaria y a nivel universitario.

Pensemos un poco en el fenómeno mostrado en la figura 1. Una persona que está sobre un carrito, que se desplaza a cierta velocidad constante, lanza una pelota verticalmente hacia arriba. Ella observa que la pelota sube y luego cae regresando nuevamente a su mano. Es decir, la persona observa que la pelota realiza un movimiento en una trayectoria (linea imaginaria descrita por el cuerpo en movimiento) recta vertical. Todos, alguna vez en la vida, hemos hecho lo anterior dentro de un autobús en movimiento o en el vagón de un tren o un metro, llegando a idéntico resultado.

Bien , ¿cómo vería el mismo fenómeno otra persona (observador) sentada a un lado del camino seguido por el carrito? ¿describiría el movimiento de la misma forma?. Observemos ahora la figura 2. Esta persona, además de observar el movimiento vertical de la pelota, observa el movimiento horizontal del carrito, por lo tanto indicará que la pelota seguirá una trayectoria parabólica. Entonces, la trayectoria seguida por la pelota es recta o es parabólica?, ¿quién tiene la razón?.

Pensemos ahora, mis Steemians-Lectores, que se tienen dos esferas como se muestra en la figura 3, una de color azul y otra de color gris. La de color gris se mueve alrededor de la azul siguiendo una trayectoria circular, como lo describiría un observador colocado en la esfera azul. Podríamos pensar en el movimiento de la Luna (esfera gris) alrededor de la Tierra (esfera azul), aunque la Luna sigue, en realidad, una trayectoria elíptica casi circular. La pregunta lógica ahora sería: ¿un observador en la esfera gris describiría el movimiento de la misma manera?. El observador colocado en la esfera gris vería que es la esfera azul la que se mueve alrededor de la gris. Entonces, ¿quién tiene la razón?.

Compliquemos un poco más las cosas. Pensemos ahora, mis Steemians-Lectores, que el conjunto esfera azul y esfera gris se mueve alrededor de una tercera esfera de color naranja, siguiendo una trayectoria circular, como lo describiría un observador colocado en esta última esfera. La anterior situación se puede observar en la figura 4. Podríamos pensar en el movimiento de la Luna (esfera gris) alrededor de la Tierra (esfera azul) y ésta, a su vez, alrededor del Sol (esfera naranja), haciendo la salvedad de que el Sol, en realidad, sigue un trayectoria elíptica. Preguntémonos ahora, mis Steemians-Lectores, lo siguiente: ¿cómo describiría el movimiento de la esfera gris un observador colocado en la esfera naranja?.

El observador en la esfera naranja describiría el movimiento de la esfera gris diciendo que ésta sigue una trayectoria semejante a una onda, como lo muestra claramente la figura 5. Aquí la trayectoria negra es la seguida por la esfera azul y la trayectoria naranja es la seguida por la esfera gris, según lo describiría un observador en la esfera naranja. Entonces ¿quién tiene la razón?. Parece faltar algo que concilie las descripciones de los distintos observadores ¿verdad mis Steemians-Lectores?.

Particularmente me ha pasado, en varias ocasiones, que cuando ando manejando y me detengo en un semáforo con luz roja, a veces, se mueve un poco hacia adelante el carro que está al lado pero yo siento que es el mío el que se mueve hacia atrás y piso inmediatamente el pedal del freno. Después me doy cuenta que mi carro, en realidad, no se movió ¿no les ha pasado a alguno de Ustedes?. Hay veces que me ha ocurrido lo mismo cuando ando de pasajero en un carro o en un autobús de transporte público. Cuando estamos en el salón de clases puedo observar que mis estudiantes no se mueven de un lado a otro pues están sentados en sus pupitres, pudiendo decir que están en reposo. Pero, un momento, nosotros estamos sobre la Tierra y ésta gira entorno a su eje y se mueve alrededor del Sol, por lo tanto nos movemos porque estamos sobre la Tierra. Entonces, ¿nos movemos o no nos movemos?, ¿quién tiene la razón?.

Cuando nos desplazamos en un carro por una carretera, algunas veces, podemos tener la sensación de que los árboles y casas que vemos a la orilla de la misma son los que se mueven hacia atrás y que todo lo que observamos al frente se mueve hacia nosotros. Algo parecido ocurre cuando nos movemos hacia una pared, pues podríamos decir que es la pared la que se está moviendo hacia nosotros, pensando que estamos en reposo. Entonces, ¿cuál afirmación es la correcta?, ¿quién está en reposo y qué está en movimiento?.

¡No nos preocupemos!, la solución está en la introducción del Sistema de Referencia, el cual definimos de la siguiente forma:

Ahora sí mis estimados Steemians-Lectores, con la anterior definición se resuelven las discrepancias presentadas en los ejemplos que antes les presenté. En el caso de la pelota, cuando se toma como sistema de referencia un punto en el piso del carrito entonces la pelota realizará un movimiento rectilíneo vertical, mientras que si se toma como sistema de referencia un punto en el lugar donde está el observador externo entonces la pelota realizará un movimiento parabólico (si el carrito se mueve a velocidad constante) u otra curva distinta de una recta (si el carrito varía su velocidad). En el caso de las esferas, la gris realizará una trayectoria circular alrededor de la azul si tomamos como referencia un punto situado en esta última esfera, mientras que si se toma como referencia un punto en la esfera gris entonces es la azul la que se mueve alrededor de la gris. Si se toma como referencia la esfera naranja entonces la esfera azul se moverá alrededor de la misma en una trayectoria circular, mientras que la gris hará lo mismo pero en una trayectoria en forma de onda. En el caso del semáforo lo que ocurrió es que en principio supuse en reposo al carro que tenía al lado (tomé un sistema de referencia un punto situado en el mismo) y por esta razón creí que era el mío el que se movía hacia atrás. Por el contrario, si tomo un sistema de referencia situado en mi carro entonces es el carro situado a mi lado el que se mueve hacia adelante. Lo mismo ocurre cuando una persona se acerca a una pared pues si se toma un sistema de referencia en la misma entonces es la persona la que se acerca a la pared y, en caso contrario, si tomamos un sistema de referencia situado en la persona entonces es la pared la que se acerca. En el caso mío con los estudiantes, estarán en reposo si se toma un sistema de referencia situado en el suelo (es decir, sobre la Tierra) mientras que se moverán junto conmigo si situamos el sistema de referencia en el Sol. También decimos que el Sol y la Luna pasan de un lado a otro en el cielo cuando tomamos un sistema de referencia situado en la Tierra, mientras que es la Tierra la que se mueve si situamos el sistema de referencia en la Luna o el Sol.

Mis atentos Steemians-Lectores, de la anterior discusión se determinan las siguientes importantes conclusiones:

1. Tanto el reposo como el movimiento son relativos, es decir, son relativos al sistema de referencia escogido. Un cuerpo estará en reposo si no cambia de posición respecto al sistema de referencia o en movimiento en caso de hacerlo. Por lo tanto, un cuerpo puede estar en reposo para un sistema de referencia determinado mientras que al mismo tiempo puede estar en movimiento para otro sistema de referencia, como en el caso mío con mis estudiantes.
2. Como consecuencia de la anterior conclusión, no es posible determinar si un cuerpo está en reposo o en movimiento si no se ha fijado un sistema de referencia.
3. Un cuerpo puede describir trayectorias distintas al mismo tiempo para distintos sistemas de referencia.
4. Nosotros solemos prefijar a la Tierra como sistema de referencia para todo movimiento que observamos a nuestro alrededor. Por esta razón decimos que el Sol o la Luna se mueven en el cielo de lado a lado y no que la tierra es la que rota.
5. Finalmente, como pudimos notar de la anterior discusión, el establecimiento del sistema de referencia es crucial a la hora de estudiar el estado de movimiento de los cuerpos. Por lo tanto, esta definición es de extrema importancia en Física.

Al sistema de referencia se hace coincidir con el origen de un sistema de coordenadas permitiéndose con esto que el observador pueda realizar las distintas mediciones que permitan la descripción del estado de movimiento del cuerpo objeto de estudio. Por lo tanto, no hay que confundir Sistema de Referencia con Sistema de coordenadas. A un mismo sistema de referencia se le pueden asociar diferentes sistemas de coordenadas.

Para la elaboración del este post consulté 23 textos universitarios de distintos niveles en el área, los cuales muestro en la siguiente lista indicando la página consultada:

1. McCall, M. W. CLASSICAL MECHANICS - FROM NEWTON TO EINSTEIN: A MODERN INTRODUCTION. John Wiley & Sons, Ltd., 2nd edition, 2011. Página 8.

2. Wilson, J. D.; Buffa, A. J. & Lou, B. FISICA 11. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2011. Página 24.

3. Giancoli, D. C. FISICA 1 - PRINCIPIOS CON APLICACIONES. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 6ta edición, 2009. Página 20.

4. Chinmony, T. THE CLASSICAL MECHANICS. Kamal Jagasia for Asian Books Pvt. Ltd., 2007. Página 95.

5. Wilson, J. D.; Buffa, A. J. & Lou, B. FISICA. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 6ta edición, 2007. Página 90.

6. Hewitt, P. G. FISICA CONCEPTUAL. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2007. Página 687.

7. Lara B., A. & Núñez, H. FISICA I - UN ENFOQUE CONSTRUCTIVISTA. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 2006. Página 23.

8. Gibilisco, S. PHYSICS DEMYSTIFIED. The McGraw-Hill Companies, Inc., 2002. Página 178.

9. Knight, J. SCIENCE OF EVERYDAY THINGS - REAL LIFE PHYSICS, volume 2. Gale Group, 2002. Página 3.

10. Tippens, P. E. FISICA - CONCEPTOS Y APLICACIONES. McGrawHill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V., 7ma edición, 2001. Página 732.

11. Hestenes, D. NEW FOUNDATIONS FOR CLASSICAL MECHANICS. Kluwer Academic Publishers, 2nd edition, 1998. Páginas 309 y 317.

12. Matveev, A. N. MECHANICS AND THEORY OF RELATIVITY. MIR Publishers, Moscow, 1989. Página 33.

13. Wells, D. A. & Slusher, H. S. FISICA PARA INGENIERIA Y CIENCIAS. Schaum. Libros McGraw-Hill de México, S. A. de C. V., 1983. Página 31.

14. Irodov, I. E. LEYES FUNDAMENTLAES DE MECANICA. Editorial MIR, Moscú, 1981. Página 10.

15. Máximo R., A. & Alvarenga A., B. FISICA GENERAL. Oxford University Press México, S.A. de C.V., 4ta edición, 1998. Página 62.

16. Savéliev, I. V. CURSO DE FISICA GENERAL 1, volumen 1. Editorial MIR, Moscú, 1984. Página 19.

17. Yavorski, B. M. & Pinski, A. A. FUNDAMENTOS DE FISICA I. Editorial MIR, Moscú, 1983. Página 27.

18. Yavorski, B. M. & Detlaf, A. A. MANUAL DE FISICA. Editorial MIR, Moscú, 1977. Página 18.

19. Landau, L.; Ajiezer, A. & Lifshitz, E. CURSO DE FISICA GENERAL - MECANICA Y FISICA MOLECULAR. Editorial MIR, Moscú, 1973. Página 11.

20. Alonso, M. & Finn, E. J. FISICA - MECANICA, volumen 1. Fondo Educativo Interamericano, S.A., 1970. Páginas 86 y 121.

21. Frish, S. & Timoreva, A. CURSO DE FISICA GENERAL, volumen 1. Editorial MIR, Moscú, 1968. Página 20.

22. Chirgwin, B. H. & Plumpton, C. THEORETICAL MECHANICS, volume 3 of A COURSE OF MATHEMATICS FOR ENGINEERS AND SCIENTISTS. Pergamon Press LTD., 1963. Página 4.

23. Langlebert, J. CURSO ELEMENTAL DE ESTUDIOS CIENTIFICOS - FISICA. Librería de la Vda de Ch. Bouret, 7ma edición, 1896. Página 6.

Mis muy estimados Steemians-Lectores y comunidad de #stem-espanol, espero que la anterior información les sea de mucha utilidad, quedándoles claro ahora lo que es un Sistema de Referencia en Física. Si tienen preguntas no duden en hacérmelas llegar pues, con mucho gusto, les atenderé. Igualmente, si tienen detalles que puedan nutrir o mejorar la anterior información, por favor, háganmelas saber. Hasta mi próximo post ¡Saludos a todos! 😁.