NeoFronteras

Sobre el transformador gravitatorio

Área: Física — Martes, 13 de Julio de 2010

Un físico estudia el análogo gravitatorio al transformador eléctrico. Algo que podría revelar extrañas propiedades del espacio-tiempo.

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Ecuaciones gravitatorias equivalentes a las de Maxwell del electromagnetismo. Fuente: ArXiv.

En los últimos años es cada vez más difícil ignorar la presencia de los transformadores en la vida cotidiana. El teléfono celular, o el ordenador portátil vienen junto a unos armatostes que les permiten tomar la corriente a un voltaje inferior a los 220-230 voltios de la corriente alterna normal. Estos aparatos son algunas veces más pesados e incómodos que los sistemas que alimentan. Así, a la lista de luces halógenas, dispositivos electrónicos o iluminación LED que necesitan corriente eléctrica continua de bajo voltaje se suman cada vez más miembros. Mientras que a alguien se le ocurra por fin normalizar un sistema doméstico de corriente continúa para ese tipo de aparatos, merece la pena fijarse en cómo funcionan los transformadores.
Un transformador funciona gracias a la inducción. El flujo de un campo magnético que varíe en el tiempo induce una corriente en una espira metálica. Basta conectar una espira de cobre a un amperímetro y mover un imán para ver cómo se produce electricidad. Si no movemos el imán (si no hay variación en el flujo de campo magnético a través de la espira) no hay generación de corriente. Toda la energía eléctrica que consumimos, salvo quizás la solar, se basan en este principio. Pero si hacemos pasar una corriente por una espira también producimos un campo magnético. Por tanto, basta poner una espira al lado de otra y hacer pasar corriente por la primera para que se produzca corriente en la segunda. Sólo es necesario que haya cierta variación temporal en la corriente, algo que se puede conseguir fácilmente usando corriente alterna (o en su defecto pulsos de corriente). Un transformador no es más que precisamente eso, con un número de espiras diferente a cada lado y un núcleo de hierro que mejor la eficacia del sistema.
Este efecto ya fue descubierto por Faraday cuando en 1831 enrolló unas espiras en los lados opuestos de una rosquilla de hierro. La ley de inducción de Faraday ha sido una ley fundamental del electromagnetismo y la ley que hay detrás del funcionamiento de los transformadores que utilizamos todos los días.
Pues resulta que la Relatividad General, en el límite lineal débil, produce unas ecuaciones similares o análogas a las leyes de Maxwell del electromagnetismo. De este modo, los resultados clásicos del electromagnetismo pueden ser aplicados a la Relatividad General. Así, se puede definir el campo electrogravimétrico o el campo gravitomagnético.
El uso de estas ecuaciones permitió en su día predecir ciertos fenómenos como el efecto Lense-Thirring de arrastre de marco de referencia, según el cual el espacio-tiempo en las cercanías de un cuerpo masivo en rotación es arrastrado. En este caso se trataría de una “corriente de masa” estática que no varía en el tiempo.
Pero, hasta ahora, se había investigado poco sobre el análogo del transformador en términos gravitatorios, en el que una “corriente de masa” varía en el tiempo. John Swain, de Boston University, apunta precisamente, en un trabajo de investigación teórico, a esta idea.
El transformador gravitatorio propuesto por Swain consiste en un haz de partículas viajando en un círculo. Esto genera un flujo magnetogravitatorio que puede ser captado por un segundo sistema circular que opera básica a modo de “antena de bucle”.
Este modelo hace surgir numerosos interrogantes sobre la naturaleza del espacio-tiempo. Así por ejemplo, un transformador eléctrico requiere un núcleo de hierro para funcionar bien, material que está definido por su permeabilidad magnética. ¿Qué clase de material jugaría ese papel en el caso del transformador gravitatorio y qué podría ser la “permeabilidad gravitatoria” si es que existe? Según Swain se puede imaginar un análogo a la permeabilidad ya que, después de todo, hay una manera de derivar la permeabilidad de un material a partir de primeros principios.
También surge la pregunta de si estos transformadores gravitatorios existen en la Naturaleza. Quizás la materia que orbite cerca de un agujero negro pueda proporcionar esa clase de “corrientes de masa”. En este caso, para obtener variaciones de esa corriente de masa, basta con que en el sistema caigan trozos de masa de vez en cuando, algo análogo a un transformador de corriente continua en el que se meten pulsos de corriente.
En la Tierra el LHC quizás pueda producir corrientes de masa lo suficientemente intensas como para poner a prueba esta teoría. En el “bobinado primario” se pueden utilizar partículas cargadas, como en el caso del propio LHC, mientras que el secundario (la “antena de bucle”) puede carecer de partículas cargadas, para así evitar los efectos electromagnéticos.
Sabemos que en los aceleradores de partículas se produce mucha radiación sincrotrón debido a la aceleración de partículas cargadas forzadas a moverse en círculos. Swain sugiere que su idea podría comprobarse echando un vistazo a ver si existe una “radiación sincrotrón gravitatoria”. En otras palabras, efectos de ondas gravitatorias de campo cercano podrían ser detectadas por interferómetros o por barras resonantes de tipo Weber en el LHC con el montaje adecuado.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3187

Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv.
Nota en Technolgy Review.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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15 Comentarios

  1. Ludovico:

    Este artículo tan interesante me ha recordado una pequeña paradoja que se me ocurrió hace años acerca del límite de la velocidad de la luz en todo movimiento: Si tenemos una barra rígida que gira, al modo de los bastones de las “majorettes”, su centro no tiene movimiento lineal, y a medida que nos alejamos de este, la velocidad lineal aumenta. Si la barra fuese suficientemente larga ¿La velocidad lineal de los puntos mas lejanos del centro llegaría a alcanzar la de la luz?. No llegé a hacer ningun cálculo ni desarrollo, pero “suponía” que se produciría una deformación del espacio que contenía a la barra, de forma que ésta parecería algo así como una espiral. ¿Ese “efecto Lense-Thirring de arrastre de marco de referencia”, que menciona el artículo, haría algo parecido a lo que imaginaba en el espacio en las cercanías de la barra?.
    Lo que me ha intrigado siempre es qué sucede si detenemos el movimiento de la barra. ¿Quedará “deformado permanentemente” el espacio (la barra) y esta conservará su forma espiral?¿Tendrá alguna relación con la evolución de la forma de las galaxias?

  2. lluís:

    Sí, tiene razón Ludovico el artículo es interesante. Mira que si se encuentran ondas gravitatorias en el LHC, ese si que sería un efecto colateral de primera .También parece interesante la especulación de Ludovico, lástima que no haya hecho los cáculos.Por cierto, lo que propone Ludovico o algo muy similar, me parece haberlo leído en alguna otra parte.Quizás era algo como que si F=ma, con el tiempo y una caña un cuerpo podría alcanzar la velocidad de la luz, dado que ahí (en la formúla de Newton)no hay ninguna limitación a la aceleración.

  3. tomás:

    Estimado Ludovico: Veo mejor tu paradoja como un problema muy ingenioso. Con las matemáticas más elementales, para que una revolución, con cada extremo de la barra a 300 000 km/s, dure 1 s “basta” que su longitud sea de, redondeando 95 493 km, lo que me hace pensar que deben existir cuerpos que se acerquen a esa diámetro. Pienso en los pulsars, con velocidades periféricas cercanas a los 100 000 km/s y rotaciones de cientos de revoluciones/s. Pero sé que sus diámetros son muy pequeños; creo que de pocas decenas de km como mucho. Pero ¿y si se encontrasen de tamaños suficientemente grandes como para alcanzar la velocidad de la luz en superficie?
    Ahora bien, ¿a partir de qué momento la fuerza centrífuga vencería la gravedad más la, imagino, cohesión del tipo que fuese de sus partes?
    Creo que la solución debe ir por el camino que apuntas, pero piensa que esa deformación del espacio en espiral ha de ser cada vez más apretada; nunca se va a detener, salvo que lo haga el objeto o que tal “compresión espiral” se distendiese periódicamente emitiendo tremendos flujos de energía, no sé si en el plano de giro o perpendicular a él. A lo mejor es esa la causa de los pulsos.
    En resumen, que me has dejado en un mar de dudas que te agradezco. A lo mejor nos ayuda Neo o alguno de nuestros compañeros más enterados. Más enterados, al menos, que yo. Un cordial saludo.

  4. tomás:

    Amigo lluís: Ya sabes las dudas -metafísicas claro y perdón por la broma- que el tema del tiempo me produce. Así que tomando la fórmula de Newton que citas, propongo sustituirla por F=m.v^2/e, en la cual toda v sería una fracción de c, por lo que podría escribirse así: F=m(c/x)^2/e. Por tanto una velocidad de, p. e. 100 000 km/s sería c/3; es decir x=3. Con ello tenemos magnitudes concretas y directamente percibidas por los sentidos, además del absoluto c. Y de esta manera nos evitamos la cuestión de esa falta de límite a la acelertación.
    Cn el agrado de volver a charrar contigo, te envío un cordial saludo.

  5. Roota:

    La conclusión práctica de todo esto es que quizá exista la posibilidad de generar campos gravitatorios. Ahora la pregunta es ¿los campos gravitatorios son polares? es decir ¿existe una gravedad negativa, una gravedad que “repele” la masa? Porque si es así puede que llegue el día que seamos capaces de crear máquinas capaces de anular la gravedad de la tierra y podríamos ir flotando por ahí.

  6. NeoFronteras:

    Lo de la barra no funcionaría, entre otras cosas porque no hay nada perfectamente sólido y rígido. Aunque tengamos una energía ilimitada para imprimir movimiento a la misma lo hacemos sobre un grupo de átomos en el centro que transmiten esa fuerza a sus vecinos a través de los enlaces que forman la estructura cristalina del material. El efecto no es instantáneo, sino que se propaga a una velocidad máxima igual a la velocidad de la luz.

    Es curioso que la gente no quiera admitir la limitación de la velocidad de luz. No se puede traspasar esa barrea si se transmite información, tampoco se puede viajar atrás en el tiempo, ni tener una máquina térmica con rendimiento perfecto… La Naturaleza es como es, no como nos gustaría que fuera.

  7. tomás:

    Muy estimado Neo: Creo que todos estamos de acuerdo con los imposibles que indicas, pero ha de haber una solución para algunos casos que rozan lo paradójico. Sabemos que no existe un cuerpo perfectamente rígido, ni una energía ilimitada, pero es que tampoco son necesarios para la experiencia imaginaria -entre otras razones por la que apunta lluís: “con el tiempo y una caña”, así que la barra podría ser de mantequilla y la fuerza, poca cosa-.
    Me parece posible una muy alta velocidad que no ha de sobrepasar la de la luz en algunos cuerpos muy masivos reales y sospecho que el espacio se deforma -el arrastre del marco de referencia que menciona Ludovico- con la velocidad de las masas además de con su presencia. Esa deformación del espacio sería una solución. Además creo que es una consecuencia de las leyes de Einstein que en su día pude asimilar con relativa -¡bien hallada palabra!- facilidad, aunque las tenga un tanto alejadas de mi pensamiento cotidiano; vamos que uno tiende a Newton sin darse cuenta.
    Y es que el observador que mide la velocidad, ¿dónde está? Creo que en el exterior del límite de la periferia, así que, en cada revolución, un determinado punto de la superficie se acercará a gran velocidad y luego se alejará.
    Mi mejor saludo y te agradecería unas palabras.

  8. Pablo:

    Alguien por menciona la velocidad de la luz, respecto de que no se puede superar, lei en una articulo de astronomia que se ha descubierto un pulsar si mal no recuerdo, que emitia unos pulsos electromagneticos que salian disparados a una velocidad superior 6 veces la de la luz, aclaraban que a esas velocidades segun los analisis no se estaba violando unos de los postulados de la ley de la realtividad (no se si era con la general o la otra, je perdon, no soy fisico pero me gusta leer sobre estos temas).

  9. NeoFronteras:

    Estimado Pablo:
    Quizás se refiere a algún quasar, que son núcleos de galaxias muy activos y presumiblemente formados por un agujero negro supermasivo.
    Al ser muy brillantes se pueden ver con un gran telescopio incluso si se encuentran muy cerca del borde del Universo visible. Debido a la expansión del mismo la velocidad de recesión (que depende de la distancia a nosotros, a más distancia más velocidad de recesión) puede ser superior a la de la luz. En realidad eso nos dice que el espacio se crea (se expande) a esa velocidad, no que un cuerpo dentro del espacio se mueva a una velocidad superlumínica.
    Si nos fijamos esto va en contra del “deseo ficción” del viaje relativista, ya que incluso moviéndonos a la velocidad de la luz nunca alcanzaríamos esos objetos.

  10. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La cantidad de cosas que podemos imaginar es siempre muy superior a la cantidad de cosas que La Realidad nos suministra. Podemos pensar en las propiedades del cuerno de unicornio, pero La Realidad no ha creado unicornios, así que no sería más que especulación las propiedades de su cuerno.
    En este caso de la barra que gira sería especulación no científica.
    Los frigoríficos desenchufados no funcionan, los humanos morimos y no se puede enviar información más rápido que la luz.
    Todo lo que nos rodea, la Física del electromagnetismo, nuestros cacharros electrónicos, etc, simplemente no funcionarían si la causalidad relativista se violara.
    El ser humano tiene que admitir que hay límites, que no es Dios ni los hijos de los dioses que puedan modificar La Realidad de la que forman parte.
    A los novelistas de ciencia ficción no les queda más remedio que violar la causalidad relativista. Es un convenio para poder tener algún tipo de argumento en sus novelas. De otro modo serían muy aburridas. Pero son sólo novelas.

  11. tomás:

    Estimado Neo:
    Te ruego seamos concretos y olvidemos tanto la barra de mantequilla como el unicornio. Sé que hay límites y que no somos dioses.
    Habré de precisar mi cuestión: ¿Qué opinión te merece la deformación del espacio, no sólo por la presencia de masas, sino también por la velocidad de las mismas?

  12. NeoFronteras:

    Apreciado Tomás:
    La “deformación” del espacio por el movimiento de masas es predicho por la RG. Digamos que el espacio-tiempo se comporta como un “fluido” y es “arrastrado” en la dirección de giro del cuerpo que da vueltas. Lamentablemente todavía no ha sido medido experimentalmente. Se lanzó un satélite para comprobar determinados aspectos de la RG después de décadas de desarrollo, búsqueda de financiación y bastante trabajo. Una vez lanzado se vio que había problemas técnicos que impedían que funcionase bien. Los investigadores responsables decían que aún así compensaría los problemas y extraerían información relevante, pero no se han difundido ampliamente los resultados finales (¿falta de precisión, falta de importancia o simplemente no se publicaron?).
    Si en lugar de orbitar la Tierra orbitara un agujero negro los efectos serían obvios y no debilísimos.

  13. tomás:

    Estimado Neo: Tu respuesta 12 es más apropiada que esos impersonales sobre la gente de tu 6, lo cual te agradezco por lo siguiente:
    En tiempos de Galileo, cuando el movimiento tenía que notarse por los vaivenes y traqueteos del carromato, su “Relatividad del movimiento” hubo de ser una pesadilla para muchos, incluso de mentalidad científica. ¿Cuanto tardó en asimilarlo el vulgo? Muchísimo. He hablado con personas, no cultas, pero viajadas a los que explicaba la velocidad a que la Tierra se movía en el espacio y no sé si se admiraban o no me creían. Esto en los años 70, y quizá todavía quede a quien le parezca raro.
    Se trata de que algunas cosas las sabemos, pero no las hemos asimilado, no las hemos aprehendido en lo más íntimo de nuestra conciencia: no las vivimos. Por eso quería que alguien a quien considero muy capaz me echara una mano. No es la primera vez que lo haces. Recuerdo con satisfacción alguna de tus respuestas, que casi siempre me han confirmado en alguna idea insegura, Sobre todo con la MC a la que prometo volver a atacar en cuanto tenga tiempo -ya me he rendido un par de veces-.Hay partes de ella que ya he conseguido integrar en mi concepción de la realidad, pero me falta mucho. Y es que no es lo mismo una fórmula y su manejo que “sentir” el hecho que pretende explicar.
    Hay que retorcer, exprimir, el “sentido común” hasta aceptar lo que la inapelable experiencia muestra.
    En resumen, un agradecido saludo.

  14. Jose M. Pineiro:

    La mayoria de los teléfonos celulares u ordenadores portátiles actuales (casi todos los “transformadores” para cargar aparatos) no funcionan por el principio descrito.
    Normalmente son fuentes de alimentacion conmutadas, que obtienen el voltaje de salida requerido a base de “chopear” la corriente de entrada.
    Ciertamente algunos tienen un pequeño transformador dentro, pero su funcion es simplemente de aislamiento electrico.

    Por ese motivo ahora ya son pequeños y ligeros, y no los pesados armatostes de hace unos años.

    Eso si, su eficiencia deja mucho que desear, ya que suele rondar el 60%

  15. NeoFronteras:

    Estimado Jose M. Pineiro:
    Lo siento, pero está equivocado. Una fuente de alimentación es básicamente un transformador para cambiar el voltaje (de 230 a 12 o similar) y un rectificador que transforma la salida de corriente alterna en continua con un mayor o menor rizado. Se pueden añadir fusibles, más o menos condensadores, filtros de baja o alta frecuencia, etc.
    Lo que dice de “aislamiento eléctrico” no tiene sentido.

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