Un estudiante de física puede encontrar la gravedad en física de dos formas diferentes: como la aceleración debida a gravedad en la Tierra u otros cuerpos celestes, o como la fuerza de atracción entre dos objetos cualesquiera en el universo. De hecho, la gravedad es una de las fuerzas más fundamentales de la naturaleza.
Sir Isaac Newton desarrolló leyes para describir ambos. Segunda ley de Newton (Fneto = ma) se aplica a cualquier fuerza neta que actúe sobre un objeto, incluida la fuerza de gravedad experimentada en la ubicación de cualquier cuerpo grande, como un planeta. La ley de Newton de la gravitación universal, una ley del cuadrado inverso, explica la atracción o atracción gravitacional entre dos objetos cualesquiera.
Fuerza de gravedad
La fuerza gravitacional que experimenta un objeto dentro de un campo gravitacional siempre se dirige hacia el centro de la masa que genera el campo, como el centro de la Tierra. En ausencia de otras fuerzas, se puede describir utilizando la relación newtoniana
Fneto = ma, dóndeFnetoes la fuerza de gravedad en Newtons (N),metroes la masa en kilogramos (kg) yaes la aceleración debida a la gravedad en m / s2.Cualquier objeto dentro de un campo gravitacional, como todas las rocas de Marte, experimenta el mismoaceleración hacia el centro del campo actuando sobre sus masas.Por lo tanto, el único factor que cambia la fuerza de gravedad que sienten diferentes objetos en el mismo planeta es su masa: cuanta más masa, mayor es la fuerza de gravedad y viceversa.
La fuerza de la gravedadessu peso en la física, aunque coloquialmente el peso a menudo se usa de manera diferente.
Aceleración debida a la gravedad
Segunda ley de Newton,Fneto = ma, muestra que unfuerza netahace que una masa se acelere. Si la fuerza neta proviene de la gravedad, esta aceleración se llama aceleración debida a la gravedad; para objetos cercanos a cuerpos grandes particulares como planetas, esta aceleración es aproximadamente constante, lo que significa que todos los objetos caen con la misma aceleración.
Cerca de la superficie de la Tierra, esta constante recibe su propia variable especial:gramo. "Little g", comogramoa menudo se llama, siempre tiene un valor constante de 9,8 m / s2. (La frase "g pequeña" distingue esta constante de otra constante gravitacional importante,GRAMO, o "gran G", que se aplica a la Ley Universal de Gravitación). Cualquier objeto que se deje caer cerca de la superficie de la Tierra caen hacia el centro de la Tierra a un ritmo cada vez mayor, cada segundo va 9,8 m / s más rápido que el segundo anterior.
En la Tierra, la fuerza de la gravedad sobre un objeto de masametroes:
F_ {grav} = mg
Ejemplo con gravedad
Los astronautas llegan a un planeta distante y descubren que se necesita ocho veces más fuerza para levantar objetos que en la Tierra. ¿Cuál es la aceleración debida a la gravedad en este planeta?
En este planeta, la fuerza de la gravedad es ocho veces mayor. Dado que las masas de objetos son una propiedad fundamental de esos objetos, no pueden cambiar, eso significa el valor degramotambién debe ser ocho veces más grande:
8F_ {grav} = m (8g)
El valor degramoen la Tierra es de 9,8 m / s2, entonces 8 × 9.8 m / s2 = 78,4 m / s2.
Ley universal de gravitación de Newton
La segunda de las leyes de Newton que se aplica a la comprensión de la gravedad en física es el resultado de la confusión de Newton sobre los hallazgos de otro físico. Estaba tratando de explicar por qué los planetas del sistema solar tienen órbitas elípticas en lugar de órbitas circulares, como observa y describe matemáticamente Johannes Kepler en su conjunto de leyes epónimas.
Newton determinó que las atracciones gravitacionales entre los planetas a medida que se acercaban y alejaban entre sí estaban influyendo en el movimiento de los planetas. Estos planetas estaban de hecho en caída libre. El cuantificó esta atracción en suLey Universal de Gravitación:
F_ {grav} = G \ frac {m_1m_2} {r ^ 2}
DóndeFgrav de nuevo es la fuerza de gravedad en Newtons (N),metro1ymetro2son las masas del primer y segundo objeto, respectivamente, en kilogramos (kg) (por ejemplo, la masa de la Tierra y la masa del objeto cerca de la Tierra), yD2es el cuadrado de la distancia entre ellos en metros (m).
La variableGRAMO, llamado "gran G", es la constante gravitacional universal. Esotiene el mismo valor en todas partes del universo. Newton no descubrió el valor de G (Henry Cavendish lo encontró experimentalmente después de la muerte de Newton), pero encontró la proporcionalidad de la fuerza a la masa y la distancia sin él.
La ecuación muestra dos relaciones importantes:
- Cuanto más masivo sea uno de los objetos, mayor será la atracción. Si la luna fuera de repentedos veces más masivocomo está ahora, la fuerza de atracción entre la Tierra y la luna seríadoble.
- Cuanto más cerca estén los objetos, mayor será la atracción. Porque las masas están relacionadas por la distancia entre ellasal cuadrado, la fuerza de atraccióncuadriplicacada vez que los objetos sondos veces más cerca. Si la luna fuera de repentela mitad de la distanciaa la Tierra como está ahora, la fuerza de atracción entre la Tierra y la Luna seríacuatro veces más grande.
La teoría de Newton también se conoce comoley del cuadrado inversodebido al segundo punto anterior. Explica por qué la atracción gravitacional entre dos objetos disminuye rápidamente a medida que se separan, mucho más rápido que si cambia la masa de uno o de ambos.
Ejemplo con la ley universal de gravitación de Newton
¿Cuál es la fuerza de atracción entre un cometa de 8.000 kg que está a 70.000 m de distancia de un cometa de 200 kg?
\ begin {align} F_ {grav} & = 6.674 × 10 ^ {- 11} \ frac {m ^ 3} {kgs ^ 2} (\ dfrac {8,000 kg × 200 kg} {70,000 ^ 2}) \\ & = 2,18 × 10 ^ {- 14} \ end {alineado}
Teoría de la relatividad general de Albert Einstein
Newton hizo un trabajo asombroso al predecir el movimiento de los objetos y cuantificar la fuerza de la gravedad en el siglo XVII. Pero aproximadamente 300 años después, otra gran mente, Albert Einstein, desafió este pensamiento con una forma nueva y más precisa de entender la gravedad.
Según Einstein, la gravedad es una distorsión detiempo espacial, el tejido del propio universo. La masa deforma el espacio, como una bola de boliche crea una sangría en una sábana, y objetos más masivos como estrellas o agujeros negros se deforman. espacio con efectos fácilmente observables en un telescopio: la curvatura de la luz o un cambio en el movimiento de objetos cercanos a esas masas.
La teoría de la relatividad general de Einstein demostró su eficacia al explicar por qué Mercurio, el diminuto planeta más cercano al sol en nuestro sistema solar, tiene una órbita con una diferencia medible de lo que predice las leyes de Newton.
Si bien la relatividad general es más precisa para explicar la gravedad que las leyes de Newton, la diferencia en los cálculos que utilizan cualquiera es perceptible en su mayor parte sólo en escalas "relativistas" - mirando objetos extremadamente masivos en el cosmos, o una luz cercana velocidades. Por lo tanto, las Leyes de Newton siguen siendo útiles y relevantes hoy en día para describir muchas situaciones del mundo real que el ser humano promedio probablemente encontrará.
La gravedad es importante
La parte "universal" de la Ley Universal de Gravitación de Newton no es hiperbólica. ¡Esta ley se aplica a todo en el universo con masa! Dos partículas cualesquiera se atraen entre sí, al igual que dos galaxias. Por supuesto, a distancias suficientemente grandes, la atracción se vuelve tan pequeña como para ser efectivamente cero.
Dado lo importante que es la gravedad para describircómo interactúa toda la materia, las definiciones coloquiales en inglés degravedad(según Oxford: "importancia extrema o alarmante; seriedad ") oseriedad("dignidad, seriedad o solemnidad de moda") adquieren un significado adicional. Dicho esto, cuando alguien se refiere a la "gravedad de una situación", es posible que un físico aún necesite una aclaración: ¿se refieren a una G grande o una g pequeña?
