Física - Galileo y el movimiento relativo

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Configuración típica de un sistema de coordenadas en una transformación de Galileo.

Una transformación de Galileo es un cambio de coordenadas y velocidades que deja invariante las ecuaciones de Newton. La condición anterior equivale a que la transformación entre las coordenadas de un sistema de referencia inercial y otro sistema inercial que se mueve respecto al primero sea también una transformación de Galileo.

Transformación de coordenadas[editar]

Galileo Galilei propuso en 1638[1] que si se tiene un sistema A\; en reposo y un sistema B\; en movimiento, a velocidad constante V_x\; respecto del primero a lo largo del sentido positivo del eje x\;, y si las coordenadas de un punto del espacio para A\; son (x, y, z)\; y para B\; son (x', y', z')\;, se puede establecer un conjunto de ecuaciones de transformación de coordenadas bastante sencillo.

Así, si se quiere hallar las coordenadas de B a partir de las coordenadas de A se tienen las ecuaciones:

\begin{cases} x' = x - V_xt \\ y'=y \\ z' = z \end{cases}

En cuanto al tiempo, se tiene que:

t' = t \,

Las anteriores relaciones se pueden reescribir en forma matricial como:

 \begin{bmatrix} t' \\ x' \\ y' \\ z' \end{bmatrix} =
\begin{bmatrix}
       1 & 0 & 0 & 0 \\
       -V_x & 1 & 0 & 0 \\
       0 & 0 & 1 & 0 \\
       0 & 0 & 0 & 1  \end{bmatrix}\begin{bmatrix} t \\ x \\ y \\ z \end{bmatrix}

Las anteriores son las transformaciones de Galileo más simples. Generalmente se consideran transformaciones más generales, de hecho el conjunto de todas las transformaciones del tipo anterior según cualquier dirección (no necesariamente sobre el eje X) junto con las rotaciones constituyen el llamado grupo de Galileo. El grupo de Galileo completo incluyendo las traslaciones espaciales y temporales, es substancialmente más complicado que el grupo de Lorentz.

Transformaciones de otras magnitudes[editar]

A diferencia de las transformaciones de Lorentz que actúan del mismo modo sobre todos los (cuadri)vectores, las transformaciones de Galileo son diferentes para diferentes vectores por ejemplo las fuerzas y las aceleraciones son invariantes bajo una transformación de Galileo simple, en cambio el momento lineal se transforma de manera similar a como lo hace el vector velocidad:

\begin{matrix}
\mathbf{v}' = \mathbf{v} - \mathbf{V}  & \qquad & \mathbf{a}' = \mathbf{a} \\
\mathbf{p}' = \mathbf{p} - m\mathbf{V} & \qquad & \mathbf{F}' = \mathbf{F} \end{matrix}

La energía cinética tiene una ley de transformación aún más complicada:

T' = \frac{1}{2}m{{v}'}^2 = 
\frac{1}{2}m\|\mathbf{v} - \mathbf{V}\|^2 =
\frac{1}{2}m({v}^2 + {V}^2)  - m\mathbf{v} \cdot \mathbf{V} = T + \frac{1}{2}m{V}^2 - \mathbf{p} \cdot \mathbf{V}

Grupo de Galileo[editar]

El conjunto de transformaciones de Galileo forman un grupo matemático. Esto significa que dadas dos transformaciones de Galileo la composición de las mismas es una nueva transformación de Galileo. Como grupo el grupo de Galileo es un grupo de Lie de diez dimensiones y no conmutativo. El grupo de Galleo ordinario se designa como \scriptstyle \text{SGal}(3) y pueden considerarse un subgrupo del grupo general lineal espacio euclídeo ampliado con el tiempo. Existen varias representaciones del grupo de Galileo, una de las más intuitivas es la de grupo de matrices sobre \scriptstyle \R^5 donde un evento que sucede en el tiempo t y el punto del espacio euclídeo x se representa por un vector \scriptstyle (t,\mathbf{x},1)\in \R^5, con esa convcención el grupo \scriptstyle \text{SGal}(3) es isomorfo a las matrices de la forma:[2]


\begin{bmatrix} 1 & 0 & s \\ \mathbf{v} & \mathbf{R} & \mathbf{y} \\
0  & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix}t\\ \mathbf{x}\\ 1\end{bmatrix} =
\begin{bmatrix}t+s\\ t\mathbf{v}+\mathbf{R x} + \mathbf{y}\\ 1\end{bmatrix}

donde:

s\, es un número real.
\mathbf{v, x, y} \in \R^3 son vectores euclídeos.
\mathbf{R} es una matriz de rotación.

La composición de transformaciones puede llevarse a cabo a través de la multiplicación de matrices. \scriptstyle \text{SGal}(3) posee algunos subgrupos distinguidos que tienen nombre propipio. Sea \scriptstyle m=m(\mathbf{v,y,R},s) la transformación de Galileo dada por los parámetros (\mathbf{v,y,R},s):

G_1 = \{ m\in \text{SGal}(3)| s = 0, \mathbf{y} = 0 \} , transformaciones uniformemente especiales.
G_2= \{ m\in \text{SGal}(3)| \mathbf{v} = 0,  \mathbf{R} = \mathbf{I}_3  \} \cong (\R^4 , +) , desplazamientos de origen.
G_3 = \{ m\in \text{SGal}(3)| s = 0, \mathbf{y} = 0, \mathbf{v} = 0 \} \cong \text{SO}(3) , rotacioness del sistema de referencia (ver SO(3)).
G_4= \{ m\in \text{SGal}(3)| s = 0, \mathbf{y} = 0, \mathbf{R} = \mathbf{I}_3 \} \cong (\R^3, +) , movimientos relativos uniformes.

Los parámetros (\mathbf{v,y,R},s) expanden un conjunto de diez dimensiones. Puesto que las transformaciones dependen continuamente de dichos parámetros el grupo de Galileo es un grupo topológico (en particular es un grupo de Lie, como se ha dicho). La estructura completa del grupo se puede representar mediante productos semidirectos A \rtimes B ):

  1. G_2 \triangleleft \text{SGal}(3) (G2 es un subgrupo normal)
  2. \text{SGal}(3) \cong G_2 \rtimes G_1
  3. G_4 \trianglelefteq   G_1
  4. G_1 \cong G_4 \rtimes G_3
  5. \text{SGal}(3) \cong \R^4 \rtimes (\R^3 \rtimes \text{SO}(3)).

Véase también[editar]

Notas[editar]

  1. Galileo 1638 Discorsi e Dimostrazioni Matematiche, intorno á due nuoue scienze 191 - 196, published by Lowys Elzevir (Louis Elsevier), Leiden, or Two New Sciences, traducción al inglés de Henry Crew y Alfonso de Salvio, 1914, reimpreso en las páginas 515-520 de On the Shoulders of Giants: The Great Works of Physics and Astronomy. Stephen Hawking, ed. 2002 ISBN 0-7624-1348-4.
  2. Mehdi Nadjafikhah & Ahmad-Reza Forough (2007) Galilean Geometry of Motions
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