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Gravitación universal


LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL


La mecánica de Newton, con sus tres leyes del movimiento y la ley de la gravitación universal, fue aceptada durante siglos como una base mecánica de la forma en que funciona el Universo. 


Entre sus grandes logros, Sir Isaac Newton examinó el movimiento de los cuerpos celestes: los planetas y la Luna. En particular, se preguntó acerca de la naturaleza de la fuerza que debe actuar para mantener a la Luna en su órbita casi circular alrededor de la Tierra. Newton también reflexionó acerca del problema de la gravedad. Puesto que los cuerpos que caen aceleran, Newton concluyó que debía ejercerse una fuerza sobre ellos, a la cual llamamos fuerza de gravedad. Siempre que una fuerza se ejerce sobre algo, esa fuerza es ejercida por algún otro objeto. Pero ¿qué objeto ejerce la fuerza de gravedad? Todo objeto sobre la superficie terrestre siente la fuerza de gravedad e, independientemente de dónde se encuentre el objeto, la fuerza está dirigida hacia el centro de la Tierra. Newton concluyó que debe ser la Tierra misma la que ejerce la fuerza gravitacional sobre los objetos que están en su superficie.


Newton fue más allá en su análisis de la gravedad. En su estudio de las órbitas de los planetas, concluyó que la fuerza requerida para mantener a los diferentes planetas en sus órbitas alrededor del Sol parece disminuir, según el cuadrado inverso de sus distancias desde el Sol. Esto lo condujo a creer que también es la fuerza gravitacional lo que actúa entre el Sol y cada uno de los planetas para mantenerlos en sus órbitas. Y si la gravedad actúa entre tales objetos, ¿por qué no entre todos los objetos? Él propuso entonces su ley de la gravitación universal, que puede enunciarse como sigue: 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 cuadro de la distancia entre ellas. Esta fuerza actúa a lo largo de la línea que une a las dos partículas. 

La magnitud de la fuerza gravitacional puede escribirse como


donde m1 y m2 son las masas de las dos partículas, r es la distancia entre ellas, y G es una constante universal que debe medirse experimentalmente y tiene el mismo valor numérico para todos los objetos igual a 6,67x10-11N.m2/kg2.


Cuando la ecuación se aplica a la fuerza gravitacional entre la Tierra y un objeto en su superficie, la aceleración de la gravedad en la superficie terrestre:
 

Movimiento satelital: Los satélites artificiales que orbitan la Tierra son ahora muy comunes. Un satélite se pone en órbita acelerándolo con una rapidez tangencial suficientemente alta usando cohetes. Si la rapidez es demasiado alta, la nave espacial no quedará confinada por la gravedad de la Tierra y escapará para no volver nunca más. Si la rapidez es muy baja, la nave regresará a la Tierra. Por lo común, los satélites se ponen en órbitas circulares (o casi circulares), porque tales órbitas requieren la menor rapidez de despegue.

Para satélites que se mueven en un círculo (por lo menos aproximadamente), la aceleración necesaria es centrípeta y equivale a La fuerza que da esta aceleración a un satélite es la fuerza de la gravedad ejercida por la Tierra, y como un satélite puede estar a una distancia considerable de la Tierra, debemos usar la ley de Newton de la gravitación universal para calcular la fuerza que actúa sobre él. Cuando aplicamos la segunda ley de Newton, en la dirección radial, encontramos:  donde m1 es la masa del satélite.