Relación entre la relatividad y el GPS

Objetivos

Terminada la lección podrás:

1. Describir la relación entre la relatividad y el Sistema de Posicionamiento Global.

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Relación entre la relatividad y el GPS

La relatividad tiene una relación crucial con el funcionamiento del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), ya que sin tomar en cuenta los efectos de la relatividad especial y la relatividad general, el sistema GPS no podría proporcionar localizaciones precisas.

1. Relatividad Especial y el GPS:

La relatividad especial, formulada por Albert Einstein en 1905, establece que el tiempo y el espacio son relativos y dependen del movimiento del observador. Según esta teoría, el tiempo pasa más lentamente para los objetos que se mueven a velocidades más altas con respecto a un observador en reposo.

• Los satélites GPS se mueven a altas velocidades (aproximadamente 14,000 km/h) alrededor de la Tierra. Debido a la relatividad especial, los relojes a bordo de los satélites experimentan una ligera dilatación del tiempo: el tiempo a bordo de los satélites pasa más lentamente que en la Tierra.
• Este efecto genera una diferencia de aproximadamente 7 microsegundos por día en los relojes de los satélites en comparación con los relojes en la Tierra.

2. Relatividad General y el GPS:

La relatividad general, publicada por Einstein en 1915, describe cómo la gravedad afecta el espacio y el tiempo. De acuerdo con esta teoría, el tiempo pasa más rápido en áreas donde la gravedad es más débil, y más lento en áreas con una mayor fuerza gravitacional.

• Los satélites GPS orbitan a una altitud de aproximadamente 20,200 km sobre la Tierra, donde la fuerza gravitacional es menor que en la superficie terrestre. Debido a la relatividad general, los relojes de los satélites GPS tienden a correr más rápido que los relojes en la Tierra.
• Este efecto gravitacional causa que el tiempo en los satélites avance alrededor de 45 microsegundos por día más rápido que en la Tierra.

3. Corrección total para el GPS:

La combinación de ambos efectos relativistas (7 microsegundos por dilatación temporal debido a la relatividad especial y 45 microsegundos por el efecto gravitacional de la relatividad general) da como resultado una diferencia neta de 38 microsegundos por día entre los relojes en los satélites y los relojes en la Tierra.

• Aunque esta diferencia parece pequeña, los satélites GPS requieren una precisión extremadamente alta, ya que el sistema depende de la sincronización precisa entre los relojes de los satélites y los de los receptores en la Tierra.
• Un error de 38 microsegundos por día se traduciría en errores de 10 km o más por día en las posiciones calculadas por el GPS.

4. Correcciones Relativistas en los Satélites GPS:

Para garantizar la precisión del sistema GPS, los relojes atómicos a bordo de los satélites están ajustados previamente para tener en cuenta estos efectos relativistas. Los relojes de los satélites están diseñados para marcar ligeramente más lento en sus órbitas, compensando así los efectos de la relatividad general y especial.

Sistema de Posicionamiento Global

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés: Global Positioning System) es un sistema de navegación por satélite que permite determinar la ubicación precisa de un receptor en cualquier parte del mundo. Este sistema es utilizado en una amplia variedad de aplicaciones, desde la navegación en automóviles y aviones hasta el seguimiento de mercancías y la localización de dispositivos móviles.

Impacto y precisión:

• El sistema GPS es conocido por su alta precisión, con capacidades que pueden variar desde unos pocos metros hasta menos de un metro con técnicas avanzadas de corrección. La precisión y la confiabilidad del GPS han tenido un impacto significativo en diversas áreas, haciendo posible una amplia gama de aplicaciones y mejorando la eficiencia en muchos campos.

Resumen:

La relatividad especial y la relatividad general son fundamentales para el correcto funcionamiento del GPS. Sin las correcciones relativistas, el sistema GPS sufriría errores significativos en sus cálculos de posición. Las diferencias en el paso del tiempo, causadas tanto por la alta velocidad de los satélites como por la menor gravedad a gran altitud, deben tenerse en cuenta para que el sistema mantenga su extrema precisión en la determinación de ubicaciones.

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una tecnología fundamental que proporciona información de ubicación precisa a nivel mundial. Su capacidad para determinar la posición exacta y su amplia gama de aplicaciones han transformado la manera en que navegamos, gestionamos recursos y realizamos investigaciones.

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Enlaces externos para explorar

• Biografías y Vida de Albert Einstein
• Simulaciones: PhET
• Conceptos de Física: Hyperphysics
• Tutorial de Física en Inglés: Physics Classroom

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Vídeos

Funcionamiento y relatividad

Funcionamiento

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