Fuerzas de inercia

En la sección Leyes de Newton vimos que la segunda ley de Newton es válida cuando se aplica desde un sistema de referencia inercial.

Por otra parte, cuando analizamos el movimiento relativo de rotación uniforme vimos que la aceleración de una partícula es distinta para un observador inercial y para uno no inercial.

La segunda ley de Newton afirma que toda aceleración está provocada por una fuerza. Por tanto, si dos observadores perciben aceleraciones distintas, también percibirán fuerzas distintas actuando sobre el cuerpo.

Se llaman fuerzas de inercia (o fuerzas ficticias) a las fuerzas que explican la aceleración aparente de un cuerpo visto desde un sistema de referencia no inercial.

En esta animación se analizan las fuerzas que actúan sobre un marciano en un autobús que se mueve con aceleración a, vistas por el observador en reposo y por el conductor. Éste último, que es no inercial ya que está acelerado, debe añadir a las fuerzas reales una fuerza de inercia (en rojo) para explicar el movimiento que percibe.

A continuación se explica este caso con más detalle. El observador en reposo es O y el acelerado es O', en el caso de ausencia de rozamiento.

Movimiento de un pasajero (en verde) que se encuentra en el interior de un autobús que acelera visto por un observador inercial O y por un observador no inercial O' que se encuentra en el interior del autobús. Entre el pasajero y el suelo no hay rozamiento.

Desde el punto de vista de O el pasajero está en reposo y es el autobús el que se acerca a la parada con aceleración a. Esta observación es coherente con la segunda ley de Newton, ya que la fuerza resultante que actúa sobre el pasajero es nula y por tanto su aceleración también lo es.

	Fuerzas que actúan sobre el pasajero desde el punto de vista de O
	Fuerzas que actúan sobre el pasajero desde el punto de vista de O'

Sin embargo, O' percibe que el pasajero se aleja de él con aceleración a, y esta aceleración debe estar provocada por una fuerza. La fuerza F_i (en rojo en la figura) que percibe O' es una fuerza de inercia, ya que no está producida por ninguna interacción física sino que es consecuencia únicamente de que el observador tiene aceleración.

De todo ello se desprende que:

las fuerzas de inercia sólo son percibidas por observadores no inerciales.

Cuando hay rozamiento entre los pies del pasajero y el suelo del autobús, el diagrama de fuerzas sería el siguiente:

Y por ello, al ir en autobús tenemos la sensación de que nos vamos hacia atrás cuando el autobús acelera y hacia delante cuando frena.

Cuando un observador situado en la superficie de la Tierra mide la aceleración de una partícula, ésta posee dos términos (denominados aceleración de Coriolis y aceleración centrífuga) que son debidos únicamente al movimiento de rotación del sistema de referencia, y no a ninguna interacción física. Por tanto, cada uno de ellos tendrá asociada una fuerza de inercia (fuerza de Coriolis y fuerza centrífuga respectivamente). En la siguiente figura se observa la fuerza centrífuga que percibe un observador no inercial O' (en rojo, figura de la derecha):

Desde el punto de vista de un observador en reposo O, sobre el satélite (que describe una órbita geoestacionaria), actúa la fuerza gravitatoria de la Tierra y su aceleración (normal) está causada por dicha fuerza.

Desde el punto de vista de un observador O' situado en la superficie de la Tierra el satélite está en reposo (ya que ambos se mueven con la misma velocidad angular ω), por lo que su aceleración es cero. Para este observador, las fuerzas que actúan sobre el satélite son la gravitatoria y la fuerza centrífuga (representada en rojo), de tal modo que la suma de ambas es cero. La fuerza centrífuga no responde a ninguna interacción física, es una fuerza que percibe el observador no inercial por el hecho de estar rotando.