LA FUERZA GRAVITACIONAL
Segunda ley de Newton
Como recordarás, la segunda ley de Newton, la cual explica que cualquier cuerpo se acelera por la acción de una fuerza. La aceleración y la fuerza son directamente proporcionales.
La aceleración que puede llegar a tener un cuerpo no solo depende de la fuerza sino también de su masa: si un cuerpo tiene mayor masa la aceleración es menor.
La relación entre la masa y la aceleración de un cuerpo es inversamente proporcional.
Generalidades de la fuerza gravitacional
La fuerza de atracción gravitacional es una fuerza de acción a distancia entre dos cuerpos, por ejemplo, la Tierra y los cuerpos que están sobre su superficie.
La fuerza gravitacional es una cantidad vectorial y por lo tanto cuenta con dirección y magnitud; su unidad de medida es el Newton.
Para determinar la fuerza de interacción gravitatoria entre dos cuerpos se deben tener en cuenta sus masas respectivas (que se miden en kg), la distancia que separa a un cuerpo del otro (medida en metros) y la constante de gravitación universal G.
La magnitud de G es igual a la magnitud de la fuerza entre dos masas de 1 kilogramo que están separadas 1 metro de distancia, 6,67 3 10211 N, una fuerza extremadamente débil.
La ley de Isaac Newton sobre la gravitación universal dice que toda partícula en el universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza que es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Esta fuerza actúa a lo largo de la línea que une a las dos partículas.
La fuerza de atracción gravitacional también se evidencia en el movimiento de los planetas con respecto al Sol.
Así, Marte, que se encuentra a una distancia del Sol menor que a la que se encuentra Neptuno, experimenta una mayor atracción por parte del Sol comparada con la que experimenta Neptuno:
se cumple que a menor distancia de separación mayor es la fuerza de atracción entre los cuerpos.
La gravedad
La aceleración que ocurre como consecuencia de la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra sobre los cuerpos que están en su superficie se denomina aceleración de la gravedad g.
La gravedad es el resultado de la atracción o interacción de la Tierra con cualquier cuerpo que se encuentre en su periferia.
El valor de la gravedad es 9,8 m/s2 , lo que indica que por cada segundo de tiempo la velocidad aumenta en 9,8 m/s, y su dirección es vertical hacia abajo (dirigida hacia el centro de la Tierra).
Todos los cuerpos que se dejan caer en ausencia del aire caen a la superficie terrestre con la misma aceleración constante debido a la influencia de la gravedad;
No obstante, el valor de la gravedad puede alterarse con la altitud, incluso en la misma Tierra.
En general, el valor más alto de la gravedad está en los polos y su valor mínimo en la línea del ecuador.
Peso e ingravidez
Si te pesas en una báscula dentro de un elevador que esté en reposo o moviéndose a velocidad constante, el peso registrado por la báscula (peso aparente) será igual al peso registrado fuera del elevador (peso real).
Si estás dentr de un elevador que acelera verticalmente hacia arriba, tu peso aparente será mayor que tu peso real.
Ahora, si el cable que sostiene al elevador se rompe, el elevador cae libremente con la aceleración de la gravedad y tú no tienes ningún peso, experimentas una sensación de ingravidez, pues nada te sostiene.
A continuación puedes identificar las situaciones anteriores.
Caída libre
Es un movimiento uniformemente variado que hace referencia al movimiento libre que experimenta un cuerpo bajo la influencia de la gravedad.
Si sueltas un cuerpo, este parte del reposo (v0 5 0 m/s) y su velocidad en la caída va aumentando, acelera a razón de 9,8 m/s2.
Si lanzas un cuerpo verticalmente hacia abajo, la velocidad inicial del cuerpo es diferente de cero y va aumentando en su descenso, acelera a razón de 9,8 m/s2.
Al lanzar un cuerpo hacia arriba, la velocidad inicial del cuerpo es diferente de cero y en el ascenso va disminuyendo, desacelera a razón de 29,8 m/s2 hasta llegar al punto de máxima altura donde su velocidad se hace cero y posteriormente empieza a descender.
¿Cómo se mide la gravedad?
En ese mismo orden de ideas, Galileo Galilei, físico italiano (1564-1642), hizo el primer intento por medir la gravedad. Su experimento se basó en dejar rodar una esfera sobre planos inclinados.
Galileo descubrió que la esfera rodaba con aceleración constante y que esta aumentaba a medida que la inclinación era mayor en los planos. Cuando el plano es vertical, la esfera alcanza su mayor aceleración, que es la gravedad.
Años más tarde, este dato fue verificado gracias a la ley de gravitación universal y las leyes de Kepler por medio del despeje de ecuaciones y del entendimiento del movimiento elíptico de los planetas. Este fue un análisis más matemático que práctico.
Actualmente, el método más sencillo para calcular la gravedad es por medio del experimento del péndulo simple. Para realizarlo se requieren un soporte, una cuerda, un cronómetro, un metro y una pesa.
La pesa se ata a la cuerda (de longitud l) y se sujeta al soporte. A la masa colgada se le da una pequeña amplitud angular, y se suelta.
Posteriormente se toma el tiempo de una oscilación (T), es decir, el tiempo que le toma al cuerpo ir y volver a su posición inicial; este tiempo se conoce como periodo. El periodo de un péndulo simple se define así.
También existen los gravímetros, dispositivos que miden el valor de la gravedad local. Están calibrados para ser muy sensibles y detectar cambios en la gravedad, incluso en variaciones de altitud del orden de los centímetros.
La gravedad en los planetas
Los planetas del Sistema Solar se formaron a partir de una nube de residuos, gas y polvo que giraban alrededor del Sol, que estaba en formación, y que por acción de la gravedad se atrajeron mutuamente.
Durante siglos se ha buscado definir qué es un planeta y los científicos han acordado que para que un cuerpo sea considerado un planeta debe cumplir tres condiciones:
- Girar alrededor del Sol.
- Ser tan grande para que su gravedad le dé una forma esférica.
- Ser tan grande para que la gravedad aleje los objetos cercanos a su órbita.
Gracias a las misiones espaciales podemos tener información sobre los planetas. Una de las más importantes es la de los Voyager, que son dos naves espaciales lanzadas con una diferencia de dos días en 1977, cuyo objetivo fue explorar los planetas más alejados del Sol.
En la actualidad los estudios se han extendido a zonas más alejadas. La fuerza de atracción de un cuerpo sobre cualquier superficie planetaria es el peso. El peso depende del planeta donde se mida y se calcula como:
En la siguiente tabla se presenta la gravedad en los planetas, el Sol y la Luna.
La Tierra
Es un planeta que se formó hace unos 4650 millones de años, junto con todo el Sistema Solar; es el tercer planeta desde el Sol y quinto en cuanto a tamaño.
La Tierra gira en su propio eje en 24 horas, lo que genera los días y las noches, y alrededor del Sol en aproximadamente un año, para dar origen a las estaciones.
La Tierra tiene un satélite natural, la Luna que esta gira alrededor de la Tierra en 28 días aproximadamente. Todos los procesos que ocurren en la naturaleza están asociados a cambios de energía: se sostiene hasta la actualidad que ocurren por cuatro tipos de energía, dentro de los cuales está la fuerza de la gravedad.
La gravedad produce cambios a través de una atracción universal que hace que los ríos fluyan hacia abajo por las montañas, que las construcciones poco estables tiendan a caerse, y que aproximadamente cada seis horas cambie la marea de pleamar a bajamar y viceversa.
La gravedad da origen a la aceleración que sufre un cuerpo debido a la presencia de otro cuerpo que existe en el Universo.
Las mareas
Los marinos predijeron que había una relación entre la Luna y el comportamiento del mar; sin embargo, fue Newton quien demostró que las mareas se producen por diferencias en la fuerza de atracción gravitacional que ocurren entre la Tierra y la Luna.
Para entender este fenómeno imagina una bola esférica de gelatina: si se ejerce la misma fuerza en todos los puntos cuando acelera mantiene su forma; sin embargo si se somete a una fuerza mayor en un punto esta se deformaría.
La Tierra está representada por esta esfera de gelatina, el lado más cercano a la Luna sufre un abultamiento. Estos abultamientos son de alrededor un metro sobre el nivel del mar.
El giro de la Tierra hace que en un día pase dos veces por el mismo punto fijo y se produzcan dos abultamientos, por lo que suceden dos conjuntos diarios de mareas.
La pleamar o marea alta ocurre cuando la Tierra sufre el abultamiento; luego de seis horas ocurre la marea baja o bajamar, cuando el nivel del mar ha disminuido.
La Luna gira en su órbita cada 24 horas y 50 minutos, por eso el fenómeno de las mareas no ocurre a la misma hora todos los días.
El Sol también participa en el fenómeno de las mareas, pero su aporte es mínimo, pues la distancia entre el Sol y la Tierra disminuye significativamente la fuerza gravitacional.
Cuando el Sol, la Tierra y la Luna se encuentran alineadas ocurren pleamares más altas que lo normal y bajamares también más bajas que lo normal, estas se llaman mareas vivas, y ocurren cuando hay Luna llena y cuando el Sol y la Luna están más cerca de la Tierra.
No todas las mareas vivas tienen la misma altura, ya que las órbitas no son circulares sino elípticas y eso hace que las distancias varíen.