ALBERT EINSTEIN: Leyes de física y seguridad vial(2) : LA RELATIVIDAD

ALBERT EINSTEIN: Leyes de física y seguridad vial(2) : LA RELATIVIDAD

Ningún escenario es tan relativo y sometido a contrastes como la circulación y conducción de vehículos en vía pública. Einstein nos ayudó de diferentes formas a entender que su teoría de la relatividad es aplicable a la seguridad vial.
8 Junio 2016

Para describir un fenómeno físico como la circulación de un vehículo e investigar sus circunstancias (movimientos, trayectorias, velocidades, aceleraciones, riesgos, accidentes) es necesario recurrir a un sistema de referencia con respecto al cual efectuamos mediciones. El espacio de tres dimensiones con el largo, ancho y alto que nos rodea, inscribe nuestros movimientos geométricamente. Un conductor tiene pues permanentemente este marco de actuación. Pero los estudiosos empezaron a añadir variables influyentes en la producción de situaciones de riesgo. Y la cuarta dimensión del tiempo, escalar, resultó imprescindible para la cinemática. Otras variables no vectoriales empezaron a hacerse fuertes con las investigaciones de los errores y los daños para introducirse en la dinámica.

El aspecto diferencial de la teoría de la relatividad es que la localización de los sucesos físicos, tanto en el tiempo como en el espacio, son relativos al estado de movimiento del observador: Así, la trayectoria de un vehículo en movimiento o el instante en que algo sucede, a diferencia de lo que ocurre en mecánica clásica o newtoniana, no son invariantes absolutos, y diferentes observadores en movimiento relativo entre sí diferirán respecto a ellos (las longitudes y los intervalos temporales son relativos y no absolutos). Estas consideraciones nos llevan a meditar sobre la relatividad de las referencias en el tráfico porque a fin de cuentas, la circulación de vehículos a motor sobre la vía pública, se desarrolla en las tres dimensiones geométricas pero la variable adimensional “tiempo” depende de la velocidad del observador. Y la movilidad en una red vial tiene tantos observadores como conductores que circulan.

Todas estas reflexiones ocuparon las inquietudes científicas de los sabios de final del siglo XIX y principios del XX porque en la medida en que profundizaban en sus investigaciones iban encontrando nuevas relatividades, porque qué ocurre si el propio sistema de referencia se mueve, pues la Tierra como marco inmóvil en la física teórica gira sobre sí misma y alrededor del Sol, recorriendo el espacio cósmico a una velocidad de 30 km/seg.y si para paliar el inconveniente del movimiento de los planetas, se utiliza al Sol como centro de un sistema de referencia tomando este astro como fijo, también el Sol se halla en las regiones externas de una galaxia que rota dando una vuelta completa en millones de años. A su vez, esta galaxia se mueve con respecto a otras galaxias y así sucesivamente. En la seguridad vial y en la práctica, afortunadamente, no es necesario tomar en cuenta todos estos movimientos porque las leyes de la física son las mismas en cualquier sistema de referencia. Pero sí nos advierte de que un mismo hecho puede ser interpretado distinto si lo inscribimos en las diferencias de velocidad de los distintos observadores.

En la desenfrenada carrera de teorías de la relatividad apareció Maxwell demostrando que la luz es una vibración electromagnética que se propaga exactamente como una onda. Pero las ondas lo hacen en medios materiales, por lo que los físicos del siglo pasado postularon la existencia de un medio extremadamente sutil, el éter, que llenaba al Universo entero, permeaba todos los cuerpos y servía de sustento a la luz. Según esta concepción, la luz sería una vibración del éter del mismo modo que el sonido es una vibración del aire lo cual implicaría que el principio de relatividad no se aplica a los fenómenos electromagnéticos,pues la luz, fenómeno electromagnético, se propaga con una velocidad bien definida en el éter y esta velocidad debe ser distinta en un sistema de referencia en movimiento con respecto al éter. Al parecer, la teoría electromagnética de Maxwell restituía un sistema de referencia absoluto.

Einstein postuló que las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo son rigurosamente válidas en cualquier sistema de referencia. Esta condición de invariancia se cumple a condición de que el tiempo medido en un sistema no coincida con el medido en otro sistema. Este hecho no había sido tomado en cuenta por los antecesores de Einstein y, por esta razón, las ecuaciones de Maxwell parecían violar el principio de relatividad.

Habiendo postulado que no puede haber ningún sistema de referencia privilegiado, Einstein concluyó que el éter simplemente no existe. Pero, entonces ¿con respecto a qué debe medirse la velocidad de la luz? La respuesta de Einstein fue drástica: la velocidad de la luz es la misma en cualquier sistema de referencia. Este concepto de la invariancia de la velocidad de la luz contradice nuestro "sentido común". Si la velocidad de la luz es de 300 000 km/seg, esperaríamos que al perseguir una señal luminosa veamos que se mueve con una velocidad menor. En simil vial, si, por ejemplo, corremos a 80 km/hora detrás de otro vehículo que se mueve a 100 km/hora, vemos que el vehículo de delante se mueve con respecto a nosotros a 20 km/hora. Es la conocida como velocidad relativa. Sin embargo, debido a la no invariancia del tiempo, las velocidades no se adicionan o sustraen en el caso de señales luminosas (o, en general, de partículas que se mueven casi tan rápidamente como la luz).

Los efectos predichos por la teoría de la relatividad son imperceptibles en nuestra vida cotidiana y sólo se manifiestan cuando se involucran velocidades comparables a la de la luz. Consideremos, como ejemplo, una nave espacial que se mueve con una velocidad muy alta: despega de la Tierra y regresa después de recorrer cierta distancia. Según la relatividad, el tiempo transcurre normalmente tanto para los que se quedaron en la Tierra como para los pasajeros de la nave, pero esos dos tiempos no son iguales. Al regresar a la Tierra, los tripulantes de la nave constatarán que el viaje duró para ellos un tiempo menor que para los que se quedaron. Más precisamente, el tiempo medido en la nave es más pequeño que el medido en la Tierra por un factor de acortamiento                                     

                                       

donde v es la velocidad de la nave y c la velocidad de la luz.

Para velocidades v del orden de algunos metros o kilómetros por segundo, como las que ocurren comúnmente en nuestras experiencias diarias, el factor de acortamiento es tan cercano al valor 1 que es imposible detectar el efecto relativista del cambio de tiempo. Si la nave espacial viaja a unos 10 000 km/hora, la diferencia entre los tiempos medidos será apenas una diez millonésima de segundo por cada hora transcurrida (lo cual, incidentalmente, se ha podido confirmar con la tecnología moderna). Pero, en el otro extremo, si la nave viaja a una velocidad muy cercana a la de la luz, su tiempo puede ser muy corto con respecto al transcurrido en la Tierra: por ejemplo, a la velocidad de 295 000 km/seg, una nave espacial tardaría unos 20 años medidos en la Tierra para ir a la estrella Sirio y regresar; sin embargo, para los tripulantes de la nave habrán pasado ¡sólo 3 años y medio!

La contracción del tiempo no es el único efecto sorprendente que predice la teoría de la relatividad. Einstein también demostró que existe una equivalencia entre la energía y la masa, dada por la famosa fórmula

                           E= mc2

donde E es la energía equivalente a una masa m de materia. Por ejemplo, el núcleo de un átomo de helio está constituido por dos protones y dos neutrones, pero la masa del núcleo de helio es un poco menor, cerca del 4%, que la masa sumada de dos protones y dos neutrones separados .En consecuencia, al unirse estas cuatro partículas pierden una fracción de masa que se transforma en energía; éste es el principio de la fusión nuclear, que permite brillar al Sol y a todas las estrellas (y construir bombas atómicas).

 De la fórmula E = mc² no se deduce que cualquier masa se puede transformar en energía o viceversa; este proceso se da sólo en condiciones muy particulares. Hemos mencionado la fusión nuclear, pero la manera más eficiente de transformar masa en energía es por la aniquilación de la materia con la antimateria.Al entrar en contacto una partícula con su correspondiente antipartícula, las dos se aniquilan totalmente quedando sólo energía en forma de rayos gamma: la eficiencia de este proceso de transformación de materia en energía es del 100%.

Para aumentar la velocidad de un cuerpo, hay que proporcionarle energía, lo cual se manifiesta como un aumento de la masa del cuerpo. La teoría de la relatividad predice que la energía necesaria para que un cuerpo de masa m alcance la velocidad v es

                                

En el límite v = 0, se recupera la fórmula E = mc² para la energía ya existente en forma de masa. En el otro extremo, la energía E aumenta con la velocidad y se necesita una energía infinita para que el cuerpo alcance la velocidad de la luz. Es por ello que, según la teoría de la relatividad, ningún cuerpo puede alcanzar o superar la velocidad de la luz. La excepción es la luz misma: según la física moderna la luz está constituida por unas partículas llamadas fotones, la masa de un fotón es nula y, por ello, puede viajar a la velocidad límite c. Así, según la teoría de la relatividad, la velocidad de la luz es una barrera fundamental de la naturaleza que no puede ser superada.

En seguridad vial, las conclusiones de la teoría de la relatividad de Einstein parecen quedar lejos. Pero fue él mismo quien, con su simplismo y humanidad, nos hizo aterrizar concluyendo que

-          El espacio y el tiempo dejan de ser categorías independientes como en la física clásica, para fundirse en un concepto unificado: el espacio-tiempo, en el que el tiempo aparece como una cuarta dimensión. Lo cual es un factor clásico en la seguridad vial pues la combinación de espacio y tiempo nos definen los dos elementos primordiales de los riesgos: la velocidad y la aceleración.

-          Una situación en el tráfico no depende solamente de las variables que interpreta un conductor sino que depende también de cómo lo interpretan cada uno de los demás conductores (observadores) que están en vehículos en movimiento, entre los que hay una velocidad relativa sumatoria si van en sentido contrario o de resta si van en el mismo sentido.

-          Por mucho que corramos para recuperar tiempo vivido y poder rejuvenecer, nunca alcanzaremos la velocidad de la luz por mucho que los campos electromagnéticos quieran influir en las revoluciones de un vehículo eléctrico.

-          Pero Einstein, como humano, se reservó algún mensaje para determinados conductores que olvidan que la masa y la energía son intercambiables en su teoría de la relatividad, cuando nos dijo que “Dos cosas son infinitas: la estupidez humana y el Universo y no estoy seguro de lo segundo” (apuntaba a la causa primera de los accidentes de tráfico) y añadió “Todos somos muy ignorantes, lo que ocurre es que no todos ignoramos las mismas cosas” y culminó que “Toda ciencia no es más que un refinamiento del pensamiento cotidiano” pero “La locura es hacer la misma cosa una y otra vez esperando obtener diferentes resultados”.

-          Y cuando Maxwell desde su electromagnetismo y su velocidad de la luz le daba un toque de atención, Einstein se sacaba de la manga máximas de este tenor que desarman a cualquier sabio dogmático al referirse a los problemas del riesgo de deslumbramiento en la circulación nocturna: “Las luces bajas de los coches altos son mas altas que las luces altas de los coches bajos”. A fin de cuentas, en el tráfico, TODO ES RELATIVO.
 

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