La fuerza de gravedad

La fuerza de gravedad tiene un alcance infinito

La gravedad es una de las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales observadas hasta el momento en la naturaleza.

La gravedad es la responsable de la caída de los cuerpos en la Tierra y de los movimientos a gran escala que se observan en el Universo: que la Luna orbite alrededor de la Tierra, que los planetas orbiten alrededor del Sol y que las galaxias estén rotando en torno a un centro.

Abeja

Gravedad

Hasta mediados del siglo XVII los astrónomos habían logrado describir con mucho detalle las trayectorias de la Tierra, la Luna y los planetas. Pero nadie había conseguido averiguar la causa de estos desplazamientos tan precisos.

Fue Isaac Newton el que descubrió que "todo sucede como si la materia atrajera a la materia". Pero hizo mucho más: descubrió que existe una relación cuantitativa para la fuerza de atracción entre dos objetos con masa.

De sus reflexiones y cálculos, dedujo que todo objeto en el universo que posea masa ejerce una atracción gravitatoria sobre cualquier otro objeto con masa, aún si están separados por una gran distancia.

Isaac Newton presentó la ley de Gravitación Universal en su libro publicado en 1687, "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". De acuerdo con esta ley de Newton, cuanta más masa posean los objetos, mayor será la fuerza de atracción, y cuanto más cerca se encuentren entre sí, mayor será esa fuerza.

Cada cuerpo ejerce una fuerza sobre el otro, las dos fuerzas son iguales en módulo y dirección, pero contrarias en sentido; al estar aplicadas en diferentes cuerpos no se anulan.

Newton
Isaac Newton (1643 - 1727)

Considerando dos cuerpos como la Tierra y la Luna, la ley de gravitación se expresa en forma de una ecuación que cuantifica "la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra con masa mT sobre la Luna con masa mL, como el producto de ambas masas, dividido por el cuadrado de la distancias desde el centro de la Tierra hasta el centro de la Luna.

La fuerza de gravedad de la Tierra causa una aceleración de la Luna hacia la Tierra. La fuerza de gravedad de la Luna causa una aceleración de la Tierra hacia la Luna. Ambas fuerzas tienen la misma intensidad.

Lo mismo sucede, guardando las proporciones, con la Tierra y la manzana que en la figura aparece de color rojo.

Todas las partículas materiales y todos los cuerpos se atraen mutuamente por el simple hecho de tener masa, en proporción directa a sus masas. La gravedad tiene un alcance teórico infinito; pero, la fuerza es mayor si los objetos están próximos, y mientras se van alejando dicha fuerza pierde intensidad en proporción al cuadrado de la distancia que separa a los cuerpos. Por ejemplo, si se aleja un objeto de otro al triple de distancia, entonces la fuerza de gravedad se reduce a la novena parte.

Ley gravitacional
Imagen publicada en la web taringa.net

En la fórmula de la gravitación es muy importante la introducción de un valor que sirve para obtener el valor exacto de las fuerzas de atracción gravitacional. Es la famosa "constante G", la constante de gravitación universal. Newton no conocía la causa de esta constante y tampoco sul valor exacto. Sólo pudo indicar que se trataba de una constante universal y que su valor era un número bastante pequeño.

Sólo mucho tiempo después se desarrollaron las técnicas necesarias para mejorar el cálculo de su valor. Aún hoy es una de las constantes universales conocidas con menor precisión.

Isaac Newton fue el primero en explicar que la fuerza que hace que los objetos caigan con aceleración constante en la Tierra (gravedad terrestre), es la misma que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas.

La fuerza de gravedad siempre es atractiva, nunca es repulsiva y tiene alcance infinito. Por muy alejados que estén entre sí dos cuerpos, siguen experimentando esta fuerza, aunque más débil a medida que aumenta la distancia.

La fuerza de gravedad siempre produce atracción entre los cuerpos, cualquiera que sea su composición. La fuerza resultante se produce atrayéndose el centro de gravedad de un objeto con el centro de gravedad del otro.

La fuerza gravitatoria es universal y todas las partículas materiales están sometidas a ella, sin excepción. Sin embargo, en el interior de los átomos, la fuerza de gravedad no juega un papel importante, debido a la pequeñísima magnitud de las masas de las partículas elementales.

Tierra Luna

Utilizando la fórmula matemática de la Gravitación Universal, podemos calcular la fuerza de atracción entre la Tierra y el cuerpo de un astronauta que esté en una órbita ecuatorial a 500 km de la superficie y que tenga una masa de 90 kg incluido su traje espacial.

La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg. 
La distancia entre el centro de gravedad de la Tierra (centro de la tierra) y la superficie ecuatorial es de 6.378,28 km. Si agregamos los 500 km de altura,  se obtiene una distancia de 6.878.280 metros entre ambos centros de gravedad: el de la Tierra y el del astronauta.

Newton

G es la constante de gravitación universal y vale aproximadamente 6,674 * 10 -11

Haciendo los cálculos, se obtiene que la fuerza gravitacional de cada uno de estos dos cuerpos (la Tierra y el astronauta) es de 750 Newton, equivalentes aproximadamente a 77 Kg de atracción mutua,

Gravedad

Newton explico cómo se comportan los cuerpos ante la gravedad.  Einstein propuso un modelo teórico para explicar el origen de la gravedad.

La teoría de la relatividad general, hace un análisis diferente de la interacción gravitatoria. De acuerdo con esta teoría, la gravedad puede entenderse como un efecto geométrico de la materia sobre el espacio-tiempo.

Cuando una cierta cantidad de materia ocupa una región del espacio-tiempo, ésta provoca que el espacio-tiempo se deforme.

Visto así, la fuerza gravitatoria no es una misteriosa "fuerza que atrae", sino el efecto producido por la deformación del espacio-tiempo, de geometría no euclídea, sobre el movimiento de los cuerpos.

Dado que todos los objetos (según esta teoría) se mueven en el espacio-tiempo, al deformarse este espacio, parte de esa velocidad será desviada produciéndose aceleración en una dirección, que es la fuerza de gravedad.

Gravedad

¿Cuál es la causa de la gravedad? ¿Por qué existe la gravedad?

Quien responda satisfactoriamente a esta pregunta se ganaría el Premio Nobel de Física, porque ésta es una de las interrogantes más interesantes que tiene la ciencia moderna. Hasta ahora, nadie ha dado con la respuesta.

En términos generales lo que sabemos de la gravedad, desde Isaac Newton y Albert Einstein hasta ahora es que “todo sucede como si la materia atrajera a la materia”. Newton ideó una fórmula matemática que funciona con precisión y que, desde entonces, ha permitido calcular las trayectorias de los astros y de las naves espaciales. Eisntein propuso la teoría de la deformación del espacio-tiempo. Pero seguimos sin conocer por qué la materia produce esta interacción que llamamos gravedad.

En los ambientes matemáticos y científicos de vanguardia se habla mucho de los gravitones, partículas elementales que emanarían de los campos gravitatorios, y de las ondas gravitatorias.

Como paso previo a la búsqueda directa de los gravitones, en la Universidad de Wisconsin y en el Observatorio de Ondas Gravitatorias del Interferómetro Láser (LIGO) se están realizando investigaciones con el fin de encontrar pruebas de la existencia de ondas de gravedad, ondas gravitatorias.

En la mecánica clásica se puede medir una onda y actualmente se admite que las ondas están compuestas de partículas. De modo que si se consigue detectar ondas gravitatorias, se tendría una base para sugerir que los gravitones existen de verdad. Esto sería una noticia optimista que animaría a continuar buscándolos.
Actualmente es posible detectar partículas casi sin masa, como los fotones. Pero, según los modelos matemáticos, los gravitones deberían interactuar muy débilmente con la materia. Esta tan débil interacción sería la causa de que, hasta ahora, los gravitones sean indetectables. Simplemente no se sabe cómo detectarlos.

Por ahora, todos los esfuerzos están centrados en confirmar la existencia del bosón de Higgs, que es un primo lejano del gravitón y que se supone responsable de dar masa a la materia. Descubrir el bosón de Higgs, sería un gran estímulo para continuar con la búsqueda de los gravitones.

A veces se leen críticas a las cuantiosas inversiones que se realizan en los grandes Aceleradores de Partículas, como el LHC y el Fermilab. Hay que pensar que en estos centros se investiga "ciencia básica", conocimientos que son los fundamentos de los grandes avances tecnológicos que influirán decisivamente en todos los aspectos de la vida humana. Descubrir la causa de la gravedad tendría repercusiones inimaginables.

ENLACES INTERESANTES

Breve biografía de Isaac Newton

Breve biografía de Albert Einstein

Video de 2:15 en el que se explica la fórmula clásica de f = m*a

Vea seis videos de Canal de Historia, en los que se habla de la fuerza de gravedad:

Primer video, duración 9:08 minutos. La fuerza de gravedad mantiene unido al Universo.

Segundo video, duración 8:27 minutos. Las ideas de Newton.

Tercer video, duración 5:17 minutos. Los efectos de la gravedad en los objetos.

Cuarto video, duración 5:57 minutos. Experiencias de gravedad cero.

Quinto video, duración 8:50 minutos. La ingravidez en la exploración espacial.

Sexto video, duración 6:04 minutos. Las ondas gravitacionales en el espacio.

Video de 4:55 minutos con explicación de la fuerza de gravedad.

Interesantísima explicación de la gravedad, por Carl Sagan. Video de 4:03 minutos.

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