Gravedad: Fuerza de gravedad, centro, específica y más

Cuando escuchamos hablar de los planetas, astros, galaxias y demás elementos que se encuentran en el espacio exterior,  se menciona el término Gravedad entre las muchas características que rondan los astros antes mencionados. Pero, ¿sabemos lo que significa realmente la Gravedad?. Conozcamos a qué se refiere.

Gravedad

¿Qué es la Gravedad?

En el ámbito de la Astronomía, el término Gravedad es la manifestación en cada astro de la gravitación universal, catalogado como un fenómeno de atracción entre cuerpos con masa, mientras que en la física responde ala tendencia de los cuerpos a dirigirse  al centro de la Tierra.

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Este fenómeno es conocido como peso y cuyo valor es el de la masa multiplicado por la aceleración de la gravedad, que en la superficie terrestre es de 9,8 m/s². Y la gravedad absoluta se conoce en química como la densidad de un fluido en condiciones estándar.

La Gravedad resulta ser la fuerza más poderosa del Universo y puede funcionar y ser empleada a gran escala como a escala infinita, por ejemplo en la vida diaria, para trotar, para realizar actividades extremas de diversión como paracaidistas, surfistas que juegan con el oleaje, los columpios para los niños, los esquiadores para su recorrido en la nieve y los saltos, etc.

Esquiadores sienten la Gravedad

Esto quiere decir, que la Gravedad es ese algo que actúa sobre todo lo que posee masa, incluido nuestro cuerpo cuando estamos en cualquier momento, tanto inertes como en movimiento. Onnipotente y omnipresente, la gravedad regula, atrae, deforma, modifica, pone y quita toda la materia y masa del universo.

Mantiene unido al Sistema Solar. Se pudiera comparar con un pegamento cósmico que mantiene unido a toda la materia del universo. La Gravedad creó nuestro mundo. Explican los científicos e investigadores al respecto de este concepto que cuando hablamos de la fuerza de atracción de la gravedad, la masa y la distancia importan.

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Gravedad

Autores que incursionaron en el tema

El poder de atracción de la gravedad permite controlar el movimiento de todo lo que existe en el universo, cualquiera que sea el tamaño, pero es el potencial aprovechamiento de esta fuerza implacable, que ha mantenido a los científicos con perennes dolores de cabeza desde tiempos remotos.

Galileo Galilei fue uno de los primeros

galileo y sus estudios

Uno de los primeros autores que inició su intervención en este tema de que la Gravedad es algo que existía, fue Galileo Galilei, y para demostrar el mayor descubrimiento explicaba que todos los objetos, independientemente de su masa, caen a la misma velocidad.

Biografía

En un breve resumen de quien fue Galileo, podemos adicionar que fue un astrónomo y físico italiano que descubrió el isocronismo de las oscilaciones pendulares, inventó un termómetro y una balanza hidrostática. Pero la primera polémica surgió al desarrollar la teoría de la caída de los graves.

En 1609 construyó el primer telescopio que lleva su nombre, con el que observó el relieve de la Luna, la naturaleza estelar  de la Vía Láctea, las manchas solares, los cuatro mayores satélites de júpiter, el anillo de Saturno,  y las fases de Venus.

En cuanto a los cuerpos en caída libre, Galileo desarrolló la teoría de la caída de los cuerpos, a partir del estudio de la obra científica de Aristóteles. Según éste, dos cuerpos en caída libre, uno de ellos de doble peso que el otro, se comportan de tal forma que el más pesado recorre el doble de la distancia que el otro en el mismo tiempo.

Galileo, entonces profesor de matemáticas en la Universidad de Pisa, osó a contradecir la autoridad de Aristóteles. Se dice que subió a los más alto de la torre de pisa, acompañado de otros científicos y profesores universitarios y desde allí dejó caer dos esferas de igual tamaño, una de madera y la otra de plomo, pero de diferente peso, demostrando que las dos tardan prácticamente el mismo tiempo en caer al suelo.

Galileo y el experimento de Gravedad

Aun habiendo comparado en el sitio, algunos científicos se atrevieron a negar lo visto. Con parte del mundo científico en su contra, Galileo fue expulsado de la universidad de Pisa y hubo de recala en la de Padua, de talante más liberal, donde continuó desarrollando sus investigaciones.

Otro experimento que muchos años después se puso en practica fue con una montaña rusa o un parque de atracciones; que bien pudo servir para otra demostración más de la hipótesis de Galileo en cuanto a la caída libre. Aquí se utilizaron dos objetos; el primero de ellos una pelota, y el otro el vagón lleno de personas, ambos cayendo a una distancia de 126 metros de altura aproximadamente.

Las personas a bordo del vagón en la montaña rusa son propulsadas a 160 kilómetros por hora hasta una altura de 41 pisos, ambos objetos caerían al mismo tiempo a menos que intervenga un elemento como el viento que altere el proceso.

Experimento de Galileo y laGravedad

Experimento para obtener la Gravedad Cero

En el punto más alto del recorrido, cuando el movimiento ascendente ha cesado, la Gravedad actúa y comienza la caída libre. Durante unos segundos, las personas a bordo del vagón sienten ingravidez, es decir, como si se hubiesen librado de la gravedad, lo que los científicos denominan gravedad cero.

Galileo y su hipótesis de la gravedad

Sin embargo, en este experimento de la montaña rusa, la Gravedad cero resulta ser una ilusión, porque en realidad se trata la Gravedad que propulsa el recorrido. Esto quiere decir que es la fuerza que tira del vagón, de las personas, de la pelota, independientemente de sus masas y las devuelve a la tierra a la misma velocidad.

Gracias a experimentos como este, hoy sabemos que todos los objetos caen a la misma velocidad.

Movimiento rectilíneo

Los experimentos de Galileo con planos inclinados le permitieron afirmar que un cuerpo que se mueve sobre la superficie de éstos lo hace de tal manera que, con independencia de la inclinación del plano, la distancia total recorrida en un determinado tiempo es directamente proporcional al cuadrado del tiempo invertido en recorrerla.

Demostró que, cuando un cuerpo de mueve con movimiento rectilíneo uniforme, éste se altera si se hace actuar sobre él una fuerza externa aplicada. Es con Galileo con quien entra en escena el concepto de aceleración.

Además, Galileo afirmó que un medio desprovisto de resistencia, esto es, en el vacío, todos los cuerpos deberán moverse a la misma velocidad,independientemente de su forma, tamaño, experimentando incrementos iguales de velocidad para intervalos de tiempo.

Movimiento rectilineo de Galileo y la Gravedad

Isaac Newton con  la famosa manzana

Cuando el honrosamente célebre astrónomo Isaac Newton vio caer una manzana, de la que algunos aseguran cayó en su cabeza, el mundo cambió y la publicó inclusive en su crucial obra, que se denominó principio matemático, publicada en 1687. Pero en su cabeza rondaba una y otra vez la pregunta de ¿por qué la Luna no cae a la Tierra?. (Ver artículo: ¿Por qué la luna no cae a la Tierra?).

La luna también se mueve lateralmente, así que a poco que caiga también se aleja en esa dirección y la suma de todos estos desplazamientos es un órbita alrededor de de la Tierra. Además Newton se dio cuenta de que la tierra también experimenta una colosal caída libre alrededor del sol, la Gravedad le impone su ruta. Nuestro Planeta rodea el sol en un interminable viaje por una montaña rusa cósmica.

Newton desentrañó el misterio de la Gravedad y los físicos aún siguen utilizando sus ideas para resolver problemas de todo tipo. Algunos de ellos presentan problemas o ideas más extraños que otros, como por ejemplo; plantearse ¿qué ocurriría si alguien intentase cruzar por un túnel de un lado a otro del planeta?

Isaac y la Gravedad

Para llevar a cabo algo tan fuera de lo común, tendría que excavarse un túnel en línea recta que atravesara la Tierra y utilizar únicamente la Gravedad para propulsar al viajero durante su recorrido.

Si conectamos dos ciudades por esquina con uno de estos túneles en línea recta la Gravedad tardaría 42 minutos en llevarnos a nuestro destino, por ejemplo un viaje desde Los Ángeles a París, 42 minutos, y si el viaje sería Los Ángeles a Tokio, igual el trayecto se realizaría en 42 minutos.

Esto quiere decir que no importa qué ruta escojamos a través de la Tierra, siempre duraría 42 minutos. Newton se percató de lo que hace la Gravedad.

Pero repasemos un poco por la vida de Newton para comprender de qué se trató su vida científica dedicada a la investigación y a los aporte importantes para la humanidad que siguen siendo un modelo a seguir en cualquier episodio de la vida.

Datos importantes de Isaac Newton

Isaac Newton fue un matemático, físico y filosófico que supo combinar en su diversificada labor investigadora los descubrimientos realizados por Galileo en el campo de la física, especialmente en lo relativo a su estudio sobre la gravitación, con las aportaciones de Kepler en el terreno de la geometría. Como consecuencia del exhaustivo examen de las teorías de ambos, seto las bases de la mecánica celeste.

Ley de la Gravitación Universal

ley de gravitacion

Tal vez la principal contribución de Newton a la ciencia fue el descubrimiento de la ley de la gravitación universal, que establece la atracción mutua entre todos los cuerpos.

La fuerza de atracción universal, o fuerza de la gravedad, tiene enorme importancia en las interacciones entre cuerpos de grandes dimensiones: nos sujeta a la Tierra, mantiene el globo terrestre y los demás planetas en su lugar dentro del sistema solar e influye en la evolución y el comportamiento de todos los cuerpos del Universo.

Partiendo de la consideración de que la Tierra atrae los cuerpos, Newton descubrió que la ley de atracción es una ley universal: Todos los cuerpos se atraen entre sí con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia.

Esto quiere decir que Newton demostró matemáticamente que el curso de los planteas alrededor del sol se explica admitiendo la atracción mutua entre los astros, que generalizó a toda clase de masas, los cuales se atraen.

De seguro, mucho tiempo antes, las manzanas seguían cayendo al suelo, pero nadie se detuvo a precisar las razones del por que ocurriría tal efecto, hasta que apareció Newton y comenzó su cabeza a hacerse preguntas, como por ejemplo por que siempre caía de la misma forma perpendicular al suelo, es decir, qué acción motivaba a que eso fuese así.

Y entonces fue en este contexto como el inglés desarrolló la gravitación como una fuerza universal que se convertiría luego en la base de una de sus obras más emblemáticas.

Gravedad

Pero además de esto, hizo falta la brillantez del genio de la física Albert Einstein para averiguar un dato más. Einstein se dio cuenta que son los objetos realmente grandes los que causan la Gravedad. Las estrellas y los planetas curvan literalmente el espacio,como una enorme lámina de caucho el espacio se curva cuando sobre él se encuentran objetos masivos.

De hecho, Einstein propuso que la ruta que los planetas describieran alrededor de las estrellas, sus órbitas, son el resultado directo de esta curvatura del espacio. Este descubrimiento revolucionario se produjo cuando Einstein a principio de la década de 1910, se dio cuenta que las órbitas de todas las etsrellas y planetas del espacio visible, se comportaban como habían predicho los cálculos de Newton.

Órbita de Mercurio

Pero hubo una excepción y se trataba de Mercurio, que su órbita oscila. Esta curvatura del espacio también afecta a nuestro propio sistema solar.

Einsten no solo determinó que la masa deforma el espacio, sino que también deforma el tiempo. El descubrimiento de Einstein de que el espacio es curvo y que el tiempo y el espacio están interconectados es la propia definición de la Gravedad.

Desvelar los secretos de la Gravedad ha permitido a la humanidad librarse de su confinamiento en la Tierra e iniciar la exploración del universo. Pero, ¿como podrán los astronautas del futuro recorrer el largo camino hasta Marte sin sufrir los efectos dañinos de la Gravedad cero?, es una de las preguntas comunes en relación a este tema de la fuerza de gravitación.

Gravedad cero

La Gravedad es considerada para muchos como una amiga, pero en otras circunstancias es calificada como enemiga, es decir, es la temible fuerza que impulsa montaña abajo a los practicantes de esquí u otro deporte parecido, lanzandolos por los aires. Con un impulso es suficiente, un aficionado al snowboard puede sentir en vuelo por unos instantes que ha logrado librarse de la fuerza gravitatoria de la Tierra.

Sin embrago, al final la Gravedad termina imponiéndose y el deportista pasa del salto a la caída libre, y al igual que la bola disparada por un cañón, termina por represar a la tierra. Pero, ¿que ocurriría si estos aventureros aspiraran a alcanzar alturas mucho mayores?, o por ejemplo, si ¿quisieran superar la gravedad y salir volando del planeta?.

La velocidad de escape, la mínima velocidad que cualquier objeto necesita alcanzar para abandonar la Tierra es de 11, 2 kilómetros por segundo o lo que es lo mismo 40320 kilómetros por hora.

velocidad requerida para el despegue de un snowboard

En teoría, incluso un esquiador con el impulso suficiente y la trayectoria correcta podría despegar como un cohete. Aunque un practicante de este deporte no pueda escapar de la gravedad de la Tierra, si se ha demostrado que es posible lanzar proyectiles y personas hasta ponerlos en órbita.

Fuerza potencial y cinética

Para llegar hasta Marte y más allá, la humanidad tendrá que aprovechar la energía de la Gravedad,como hacemos cuando buscamos emociones extremas. La Gravedad nos proporciona dos tipos de energía: La potencial y la cinética.

La potencial es la energía que se va acumulando mientras que la energía cinética es el resultado de toda esa energía potencial retenida. Este fantástico fenómeno es la que se aplica en una montaña rusa.

Energía potencial

Cuando un surfista logar situarse en un punto perfecto de una ola, está utilizando la doble faceta de la energía. La Nasa también utiliza ester principio de intercambio de energía para conseguir aumentar la velocidad en sus misiones. Conforme una nave espacial se aproxima a la órbita de un planeta, acumula cinética a expensas de su energía potencial.

A continuación cuando rodea el planeta en su vertiginoso viaje cósmico, la nave sufre el efecto tirachinas, que la impulsa hacia adelante con una energía cinética mayor.

Aprender a utilizar la fuerza de la Gravedad le permitirá a la humanidad viajar más lejos y más rápido por el universo. Disponer de las fórmulas físicas y la tecnología necesaria, es sólo una parte de los preparativos de un viaje extraterrestre. La otra es preparar a las personas para los rigores del espacio.

Lejos de la fuerza gravitatoria de la Tierra, por ejemplo durante un largo viaje a Marte en una nave espacial, los futuros astronautas tendrán que aprender a vivir y trabajar y entretenerse en un entorno libre de la considerable Gravedad de la Tierra, en los que se sentirán ingrávidos y todos los objetos se moverán libremente. (Ver artículo: Astronautas).

Una manera divertida de experimentar algunas de las sensaciones que viven los astronautas durante los viajes  espaciales, es simularlas en un vuelo parabólico, pues se trata de algo que supera cualquier montaña rusa.

prueba de Gravedad

Simulaciones para probar la Gravedad cero

En muchas oportunidades se hacen estas simulaciones utilizando un Boeing 727, especialmente modificado para probar la Gravedad Cero. El avión vuela entre los 7300 y los 9700 metros aproximadamente la misma altitud que un avión comercial, pero en ese momento terminan la semejanzas. Su trayectoria es igual a los ascensos y descensos de una montaña rusa, pero por la estratosfera. (Ver artículo: Atmósfera y sus capas/#Estratosfera).

Este avión acumula energía potencial conforme asciende en un ángulo de 45°. Los pasajeros comienzan a experimentar un aumento de peso. La Gravedad se mide en fuerzas G; una G equivale a la gravedad que experimentamos en la superficie de la tierra. Cuando el avión asciende bruscamente mientras acelera la Gravedad aumenta y los cuerpos se sienten más pesados-

El avión va acelerando hasta un máximo aproximadamente de 1,8 G. Cuando el avión se aproxima y supera el punto más alto de su recorrido, tanto el avión como la spersonas qu ese encuentran a bordo como objeto dela prueba se encuentran en caída libre y es cuando sienten la gravedad cero.

Se trata de una sensación indescriptible que ciertamente hace parecer que las personas se encuentran en el espacio  y esto se logra con la trayectoria del avión cuando provoca la ingradivez en repetidas ocasiones, describiendo una serie de arcos parabólicos, que a pesar de estar en el interior de un avión, los pasajeros en Gravedad cero están cayendo hacia la Tierra, del mismo modo que si practicaran la caída libre.

Galileo demostró que todos los objetos caen a la misma velocidad, por lo que esto quiere decir que el avión y las personas caen hacia la Tierra manteniendo la misma posición relativa entre sí y esto es lo que hace que se sientan ingrávidos.

Cuando los motores vuelven a propulsar el avión poniendo fin a la caída libre, los pasajeros recuperan la sensación de peso, como diría Einstein, la ingravidez no es más que una ilusión. Un vuelo parabólico aplica algo que Einstein formuló en 1916 en su teoría de la relatividad general, que la aceleración es lo mismo que la Gravedad.

Gravedad vuelos de prueba

Cuando algo es impulsado hacia arriba en un cohete o el avión de los vuelos de Gravedad Zero, las fuerzas G que experimentan son las mismas que sentirían siendo atraído por la Gravedad de un objeto masivo como un planeta, por lo tanto, la Gravedad y la aceleración producen la misma sensación.

Es así como los pasajeros de un vuelo de Gravedad Zero pueden llegar a sentirse como un astronauta y disfrutar la experiencia de la ingravidez.

Otra de las pruebas que existen en este tipo de vuelos para pasajeros curiosos, está la practica llamada el vuelo del vómito, que tiene como propósito preparar a los astronautas de la Nasa para trabajar y vivir en un entorno espacial con Gravedad cero. Definitivamente, con estos increíbles vuelos parabólicos, los seres humanos han aprendido a simular la ausencia de Gravedad.

Pruebas de Gravedad en laboratorios

Peligros en el cuerpo por vivir sin ella

Sin embargo también se ha hecho posible crear la Gravedad artificial en laboratorios; por ejemplo en los albores del siglo XXI se han logrado superar las ataduras de la Gravedad y escapar de la atracción de la Tierra. Es por esto que el paso siguiente es diseñar y construir la tecnología que permitirá a los seres humanos viajar, trabajar y vivir en otros planetas.

Desde el comienzo de la era espacial, los científicos se han planteado el reto de reducir al mínimo los riesgo que podría implicar la ingravidez para la salud o incluso para la vida. En una misión a Marte, los astronautas tendrían que estar lejos de la Gravedad de la Tierra durante dos años por lo menos.

La constitución del ser humano no está diseñado para vivir sin la gravedad terrestre. Experimentar la ingravidez durante períodos de tiempo prolongados conlleva a una pérdida de masa osea, deterioro muscular y formación de coágulos sanguíneos que podrían resultar fatales.

Pero como para todo, el ser humano ha buscado las soluciones de la mejor manera, los ingenieros aeronáuticos de la Nasa y del Instituto Tecnológico de Masachuset están probando un sistema de centrifugación personal que podría mitigar estos riesgos. Como sucede en los parques de atracciones, hacer girar a una persona crea artificialmente fuerza G.

Para prevenir el mareo durante estas pruebas,  el Instituto Tecnológico de Massachuset se recomiendan a los astronautas mantener la cabeza inmóvil. Al hacer girar a una persona a 30 revoluciones por minutos, la centrifugadora produce una G, la misma fuerza quea experimenta una persona sobre la Tierra.

Los científicos tienen la esperanza de que algún día sera posible realizar un viaje a Marte y creen que deberían contar con una centrifugadora personal a bordo. Los astronautas del siglo XXI podrían repostar su Gravedad terrestres pasando solo una hora al día en la máquina.

Centrifugadora

La superficie de la Gravedad de Marte es de 378 la de la Tierra, es decir, si una persona que pesara 45 kilos en la Tierra sentiría que pesa 17 kilos en Marte. Aunque un esquiador en Marte descendiera el Monte Olimpus a un tercio de la velocidad con la que descendería en la Tierra, su menor Gravedad implica que podría alcanzar una altura tres veces mayor en sus saltos

Júpiter es el gigante de nuestro sistema solar, una persona que pese 45 k en la tierra pesaría 115 kilos sobre la superficie de Júpiter; aunque su superficie fuese sólida, a un esquiador le resultaría difícil realizar un salto.

Lo que hoy sabemos sobre la Gravedad, su funcionamiento y aplicación para fines prácticos, podría inclusive salvar al planeta de su catastrófico destino final. ¿Como podría salvarnos la Gravedad?. Dentro de unos 5 mil millones de años nuestro sol brillara con enorme intensidad, se convertirá en una gigante roja, se consumirá y morirá. (Ver artículo: Muerte del Sol).

Sol

Conforme esto suceda, devorará el sistema solar interior y la Gravedad y la Atmósfera de la tierra cambiarán radicalmente. En ese momento, la vida desaparecerá del planeta azul. Pero los astrofísicos aseguran tener un plan que deduce que la Gravedad puede salvar la Tierra.

Para llevar a cabo ese colosal desplazamiento sería necesario astronautas o ingenieros a bordo de una nave que maniobrase el cometa o asteroide hasta situarlo frente a la Tierra. A continuación en la montaña rusa cósmica, la energía potencial y la energía cinética aumentarían, y e la Gravedad se encargaría del resto.

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Si eso ocurriera, el cometa empujaría a la Tierra hacia adelante, la tierra empujaría al cometa hacia atrás y el resultado sería que la Tierra recibiría un impulso hacia una órbita de radio ligeramente superior, situándose a una distancia ligeramente mayor del sol.

Cometa

Si se realizara uno de esos ajustes, una de estas traslaciones cada diez mil años aproximadamente, la tierra podría alejarse a un ritmo bastante rápido, lo que mantendría regulado el aumento constante del brillo del sol durante un periodo de mil millones de años.

Sin embargo, si los expertos llevan en sus cálculos y esta gran apuesta sale mal, todo habrá terminado. Evidentemente esto se trata de una hipótesis extrema, pues, sabemos con certeza que nuestra existencia en la Tierra, depende de la presencia de la Gravedad que permite que se de las condiciones perfectas para la vida y la búsqueda de la felicidad.

Una G produce el sueño de todo surfista, la ola perfecta. Pero las corrientes de agua que disfrutamos en la tierra no son las únicas olas generadas por la gravedad, existen ondas cósmicas tan enormes que recorren todo el universo. Torrentes de partículas impulsadas por la Gravedad fluyen por todo el Cosmos, según Einstein estas sombras gravitacionales recorren todo el universo.

onda gravitatoria

Pero, ¿que son y por que se producen?, cualquier tipo de masa en movimiento, grande o pequeña genera una onda gravitacional, al igual que las mareas de los océanos de la Tierra las ondas gravitaciones fluyen a través del cosmos. En teoría,  un surfista espacial podría disfrutar montando una de estas olas.

¿Qué es una onda gravitacional?

Son originadas por la interferencia del campo gravitacional y que se propagan a la velocidad de la luz

Pero para que los científicos confinados en la tierra detecten cualquier débil señal de una onda gravitacional, la perturbación ha de ser propagada por un objeto cósmico masivo, por ejemplo los agujeros negros y las estrellas neutronas. La herramienta utilizada para capturar los indicios de una de esas ondas es Ligo; un observatorio de interferometria de láser de ondas gravitacionales.

Existen dos laboratorios Ligo, uno de ellos se encuentra en Whashinton y el otro a 3200 kilómetros de distancia en Luisiana. Si aparece una onda, los resultado de cada laboratorio serán cruciales para conformar el evento; así es como funcionan. Estos espejos super pulidos se encuentran en el eje del interferómetro que básicamente compara dos mediciones de una onda de luz e identifica las diferencias entre ambas.

Una luz láser muy precisa es lanzada hacia adelante y hacia atrás y dividida entre dos espejos calibrados. En circunstancias normales cuando la luz rebota entre los dos tubos de vacío en forma de L de 4 km de largo, los dos rayos láser están sincronizados.  Esto significa que un haz de luz se anulan  mutuamente y ninguna luz se escapa del túnel.

Pero cuando son atravesados por una onda gravitacional, el espacio sufre una ligera alteración, entonces lo rayos láser se descompensan y emiten una pequeña cantidad de luz, una señal diminuta de un diámetro menos a un cabello humano, de un tamaño mil veces menor que de un protón queda registrada.

ondas gravitacionales

Podremos verla y oírla convertirse en una señal luminosa y un sonido. La gran esperanza de los científicos es captar el mayor evento jamas producido en el Universo, el Big Bang. El problema es que todavía no se ha detectado el menor indicio de una onda gravitacional.

Los científicos del Ligo como si fueran surfistas cósmicos viven esperan el momento de cabalgar sobre una onda gravitacional perfecta.  Si consiguiesen detectar una onda podrían transformar la ciencia.

La fuerza de la Gravedad domina nuestro universo, crea y puede destruir el cosmos, las estrellas, los planetas y a la humanidad, es decir, controla la vida, la diversion y los esfuerzos. Nuestro futuro depende de la gracia y la fuerza mas poderosa del cosmos; la Gravedad.

Gravedad

Fórmula de la Gravedad

 Si m y m´ son las masas de los dos cuerpos y r es la distancia entre sus centros, la Ley de Newton se expresa mediante la fórmula siguiente:

F= G   m-m´

       r²

siendo G la llamada constante de gravitación universal, de valor 6.67×10-¹¹ N-m²/km². Esta expresión es la fórmula matemática de la Ley de Gravitación universal, que dice que “Dos cuerpos separados un distancia r experimentan fuerzas atractivas directamente proporcionales al producto de sus masas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que los separa”.

Lógicamente, para que la fuerza gravitatoria sea evidente, uno de los dos cuerpos tiene que poseer una masa muchísimo más grande que el otro. Por eso este efecto se manifiesta en la atracción de la tierra hacia cualquier situado en sus proximidades, pero no entre los distintos cuerpos que se hallan en ella.

atracción

Partiendo de las leyes de kepler, Newton descubrió que la aceleración de los planetas (que es un vector) está constantemente dirigida hacia el sol. Aplicando la segunda ley de la dinámica (F=m-a), si un planeta, durante su movimiento, se acelera hacia el sol, esto significa que el propio astro ejerce una fuerza sobre el planeta.

Gravedad

De las leyes de Kepler dedujo Newton que esta fuerza debía ser inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del sol al planeta. Como entonces ya se conocía el valor de la fuerza de la Gravedad en la superficie terrestre y la velocidad con que la luna recorre su órbita, Newton demostró que era la Gravedad terrestre la que ejercía la fuerza necesaria para mantener la luna en su órbita.

La fuerza del peso

La aplicación directa de la segunda Ley de Newton (F=m-a) al movimiento de un cuerpo en caída libre proporciona el concepto de peso.

Suponiendo despreciable el razonamiento con el aire, la única fuerza que actúa cuando el cuerpo cae libremente, esto es, sin que se halla aplicado sobre él ninguna fuerza que favorezca el  movimiento, es la de la atracción que ejerce la Tierra sobre el cuerpo, es decir, el peso.

Gravedad de planeta

Otras teorías y autores

Los movimientos de los astros siempre han fascinado al hombre y desde le principio de los tiempo ha intentado averiguar las leyes subyacentes. 600 años antes de Cristo, el filósofo griego Anaximandro de Mileto afirmó que el planeta era un cilindro y que se encontraba en el centro del universo y que en su interior ardía el fuego del infierno y que sobre ella se encontraba la bóveda celestial.

Detrás de esta bóveda, cuenta la historia que describía un fuego ardiendo, y contenía unos agujeros con cierta luminosidad que aseguraba se trataba de estrellas. Más atrás se encontraba el astrónomo Claudio Ptolomeo quien deducía que la tierra era el centro del Universo, y la luna, el sol y los planetas se localizaban entorno a la tierra en trayectorias circulares fijas, denominadas esferas.

Con estas teorías, los astrónomos fueron capaces de predecir con exactitud los eclipses de sol y de luna y la posición de los planetas.

Eclipse

Luego de cien años aparece Coppernico quien desmonta la visión de que la Tierra es el centro del universo, pues aseguraba que los planetas giraban entorno al sol y entre estos planetas se localizaba la Tierra, sin embrago, no tuvo los instrumentos y herramientas para demostrar su teoría.

Por su parte, Johannes Kepler consiguió pulir la concepción del universo de Coppernico mediante la observación precisa de los planetas y el descubrimiento de la regularidad matemática.

Entra en escena en esos momentos Isaac Newton con la fabricación de sus herramientas que le permitían continuar con las investigación de sus temas tanto en química como en física, y con su telescopio reflector, estudió los movimientos de los planetas en el cielo estrellado.

telescopio de newton

Pero se preguntaba qué era lo que los mantenía en sus órbitas elípticas. Los filósofos naturales, como se consideraban los científicos de aquella época, debatían las diferentes hipótesis, entre ellos el inglés Wiliam Kilberg, quien afirmaba que unas cuerdas magnéticas invisibles e incomprensibles accionaban los cuerpos celestes en el universo.

Mientras tanto, otro astrónomo francés decidió dar otra explicación al caso de la Gravedad de los planetas. Este científico explicaba que el todo en el universo se componía de partículas materiales, y suponía que las esferas celestes giraban dentro de ese enjambre de partículas. Hacia la semejanza de esa hipótesis con la de un remolino.

Tal hipótesis fue refutada por un astrónomo joven ingles de apellido Halley que coincidió con Isaac Newton. Haley hablaba de una fuerza central que situaba a los planetas en su órbita, cosa que no era nuevo para newton, que cuando estaba en su etapa de estudiante se había hecho cargo del mismo cuestionamiento, formulando sin esfuerzo una teoría matemática sobre los efectos de esa fuerza.

Edmun halley

Sin embargo, nunca se había preocupado por publicarla y prácticamente la tenía en el olvido. En ese momento, el joven astrónomo resaltó la relevancia de las investigaciones y aportes de Newton y lo motivo a que compilara todo el material y posteriormente lo publicara.

Newton accedió, y se dedicó a trabajar en los principios matemáticos de la filosofía natural, y fueron tres libros que financió el propio Haley dos años y medio más tarde. En estos libros plateó las tres leyes que hasta hoy constituyen las bases de la mecánica.

La primera ley planteaba que todo cuerpo permanece en su estado de reposo de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cueros actúen sobre él. La segunda ley habla de que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo.

La tercera es la ley de acción y reacción. Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

De esta tercera ley de movimiento profetizo Newton que se regía por el mismo principio por el que varios siglos después el hombre conseguiría volar hasta las estrellas. Con ello quiso decir que el principio de acción y reacción sería lo que haría volar un cohete al espacio. El gas caliente que expulsa las cámaras de combustión e slo que produce que el cohete salga disparado en sentido contrario.

Ve en las fuerzas la causa del movimiento de los cuerpos, y en el caso de la Luna, afirma que lo que hace que permanezca en su órbita elíptica es únicamente la tracción de la Tierra. La fuerza contraria a esta es la fuerza centrífuga que impide que la luna se abalance contra la Tierra. A la fuerza de atracción Newton la denominó fuerza de gravedad.

leyes de newton

Ahora, con la velocidad de la órbita lunar y la fuerza de atracción de la tierra, newton puede demostrar que los planetas se mantienen en su órbita  por la fuerza centrifuga y la de Gravedad. Pero Newton aún no estuvo satisfecho con todo lo que hasta ese momento había logrado.

Por esta razón, sus preguntas continúan dando vuelta en su cabeza y se plantea que si la fuerza de gravedad terrestre atrae la luna a la tierra, ¿no podría también la fuerza de Gravedad del sol mantener a la Tierra en su órbita elíptica y la de Júpiter a sus satélites?.

De ser así, la fuerza de gravedad sería una propiedad común de los cuerpos masivos aplicable a los movimientos de todos los cuerpos celestes.

Movimiento de planetas

Fuerza de Gravedad de la luna

De esa forma Newton formuló la ley de la Gravitación Universal, con la masa de dos cuerpos y la distancia existente entre ellos, Newton pueden calcular su fuerza de atracción. De esa forma es capaz de predecir la forma exacta el movimiento de los cuerpos celestes. Con esos conocimientos se descubrirán siglos después nuevos planetas del sistema solar, como por ejemplo Neptuno y Plutón.

Con la Ley de gravitación se corrobora matemáticamente la concepción del mundo de Coppernico, y por fin se despejan las dudas sobre la Tierra. La manzana cae siempre perpendicularmente al suelo por la fuerza de Gravedad. Con el principio de esta fuerza también consigue explicar las maneras alta y baja, lo que influyen sobre el nivel del mar, es la fuerza de Gravedad de la Luna.

Newton vrs Einstein

Hasta hoy, la Ley de la Gravitación de Newton constituye los pilares de la física clásica, pero a principio del siglo XX, llegaron Alber Einstein y su relatividad. El trabajo revolucionó nuestra imagen del universo, el físico alemán desmontó la teoría de Newton que afirmaba que el espacio y el tiempo eran independientes uno de otro.

Fue mas lejos en sus escritos, y afirmó que la Gravedad influye en el transcurso del tiempo en un planeta mayor y mas pesado el tiempo transcurre más despacio que en uno mas pequeño.

Newton describió la Gravedad como una fuerza entre dos cuerpos, mientras que Einsten la percibe como una propiedad capaz de alterar el espacio y el tiempo, la gravedad de Einstein no solo afecta los cuerpos, también tiene influencia en las ondas electromagnéticas y por tanto sobre la luz.

Gravitación

Un año después de publicar su teoría, ésta se confirma. Durante el eclipse de sol de 1919 los astrónomos observaron que un rayo de luz de una estrella lejana, como Einstein había planteado, se desvió sobrepasando el sol. Su teoría se aplica en dimensiones raras con fuertes gravitaciones y elevadas velocidades.

Pero nuestro día a día se rige por la Ley de Gravitación de Newton. A los cincuenta años, puso fin a sus investigaciones científicas, luego en Londres se dedicó en 1696 como director de la Real Casa de la Moneda y luchó contra la falsificación. En reconocimiento por sus aportaciones científicas, en 1705 a sus 62 años fue ascendido a la nobleza.

Gravedad especifica

La Gravedad específica es conocida también como densidad relativa y consiste en la relación de la densidad absoluta de una sustancia comparada con la del agua. Como ejemplo para ellos y hacer de esto algo más sencillo al entendimiento, podemos utilizar tres vasos con tres huevos, como se muestra en la gráfica siguiente.

ejemplo de Gravedad específica o densidad relativa

En el vaso número uno se encuentra un huevo flotando, en el vaso dos el huevo está parcialmente sumergido, mientras que el vaso número tres el huevo está en el fondo. Pareciera estar un poco complicado, pero lo que nos ayuda a explicar esto es que el concepto de densidad hace presencia.

Si comparamos la densidad del huevo 1 respecto a la densidad del líquido en el vado 1, la densidad del huevo 2 respeto a la densidad en el líquido dos y la densidad del huevo 3 respecto a la densidad del líquido de ese vaso, vamos a encontrar que esto se presenta solamente si se cumple la siguiente condición:

Que la densidad del huevo 1 sobre la densidad del líquido uno debe ser menor que la densidad del huevo 2, sobre la densidad del líquido 2 y menor que la densidad del líquido 3, sobre la densidad del líquido 3.

Supongamos ahora, que el líquido en cada uno de los vasos tiene la misma densidad, si esto es así entonces podríamos inferir que la densidad del huevo 1 es menor que la densidad del huevo 2, menor que la densidad del huevo 3.

La conclusión de este fenómeno es que el huevo que está presente en el vaso 1 flota porque tiene una menor densidad, el huevo que está flotando parcialmente tiene mayor densidad que la densidad del huevo en el vaso 1, pero su densidad es menor que la densidad en el huevo 3.

Por lo tanto, la conclusión es que si tenemos un elemento en un fluido y este elemento en este elemento en este fluido flota, es debido a que su densidad es más baja que la del fluido, y viceversa. Si el elemento se hunde dentro de este fluido, es porque su densidad es mayor que la de ese fluido.

ejemplos de Gravedad específica

Con el contexto anterior entonces se explica que, va a ser igual a la densidad de la sustancia dividida entre la densidad de una sustancia de referencia. En el caso del líquidos, y sólidos, la sustancia referencia es el agua a 4 ºC.

En el caso de gases, la sustancia referencia es el aire a condiciones normales de presión de una atmósfera y temperatura de 0°C.

Gravedad de la Tierra

En un principio ya habíamos descrito la Gravedad como la fuerza fundamental en la naturaleza, una sujeción invisible que gobierna nuestro planeta, desde las rocas del lecho marino, hasta lo que vemos en la superficie, por eso es una referencia científica esencial.

La Gravedad nos da la sensación de que las cosas tienen un peso, esa fuerza hacia a bajo es la gravedad. Todos estamos sometidos a la Gravedad como una atracción constante, pero si se reduce o aumenta la masa en un determinado punto geográfico, la fuerza d el Gravedad fluctúa ligeramente.

Es un tema que significa un autentico rompecabezas para la ciencia, pues, los científicos sueñan con una misión que aporte un mapa en alta resolución del campo gravitatorio. La gravedad puede variar en varios sentidos, puede cambiar en el tiempo por el movimiento de la masa y también de un lugar a otro.

En realidad existen diferentes densidades, diferentes materiales que se reflejan en las oscilaciones de la Fuerza de la Gravedad del Planeta. De hecho, si miramos la tierra a través de un satélite que escanee el indice de gravedad, veríamos un planeta con una forma diferente. con depresiones y relieves muy irregulares.

satélite

300 años después de que Isaac Newton se preguntara por qué razón se cae la manzana en el suelo, un grupo de estudiantes en Italia siguen estudiando este complejo fenómeno.

Es un fascinante punto de partida porque debajo del suelo existe una cueva llamada la gruta gigante, la falta de masa en el subsuelo, hace que la fuerza de la gravedad quede reducida, es decir, si ese lugar se estaciona un vehículo de una tonelada, pesara 5 gramos menos.

gruta gigante

La gruta gigante significa ausencia de masa porque es un gran agujero debajo de nuestros pies, alterando la gravedad. Menos rocas, significa menos atracción hacia la Tierra, pero en la cueva no es el único factor que altera el grado normal de Gravedad en la zona.

Los estudiantes comprenden poco porque cambia la gravedad si no han cambiado de lugar, según la cantidad de experimentos que han hecho en la zona. Explican los científicos que la acción de la luna y el sol alteran el campo de gravedad. La forma de la tierra se estira y se encoje según la posición de estos dos astros.

El único lugar desde donde se puede obtener un mapa global del campo gravitatorio es desde el espacio, y eso es exactamente lo que hace un satélite de nombre Goust de la Agencia Espacial Europea, una visión única que ofrece a los geólogos una perspectiva inedita del interior de nuestro planeta.

mapa de la tierra

Gracias al análisis de datos facilitado por este satélite, otorgados por los especialistas, se consigue tener una visión mas completa de la estructura de la Tierra.

Se han  conseguido rocas sedimentarias con fósiles incluidos y poca densidad. Se trata de una roca magmática, y es mucho más pesada, típica de entornos volcánicos. Otra de las rocas es de forma metamórfica, que significa que ha sido sometida a temperaturas y presiones muy altas, quedando cocinada, por decirlo de laguna maner.

Esto hace que tenga una densidad mayor a las anteriores. El propósito es detectar la presencia de este tipo de rocas en el planeta con la ayuda del satélite ghost. La información sobre la fuerza de la gravedad puede ayudar a los geologos detectar minerales valiosos como el hierro. También pude revelar como las raíz de las cordilleras que penetran en las densidades de la corteza terrestre.

 densidad de la corteza terretsr

Estudios sobre el campo de gravedad

La medición de la Gravedad también puede ofrecer datos valiosos sobre los océanos. El agua de los océanos es atraída por la gravedad hacia las concentraciones más altas de masa en la corteza terrestre. También se mueve en función de las corrientes y las mareas. El objetivo es comprender como interactúan una y otra fuerza.

La distribución de la masa en la tierra determina nuestro campo de gravedades constante, si se compara con la influencia de los movimientos de las corrientes oceánicas. No obstantes, supone que dura de muchos años, mientras que la corrientes marinas fluctúan.

Si conocemos detalladamente el campo gravitatorio de la tierra, podemos conocer con exactitud el efecto de esas corrientes marinas, que afectan entre 40 y 80 cm sobre las ondas superficiales de gravedad. Esto es lo que desean estudiar. Lo que necesitan los oceanografos para entender completamente los modelos climáticos.

Satelites

El flujo de información sobre el campo de gravedad obtenido por el satélite aterriza cerca de roma. Un centro de la Agencia Espacial Europea, con un equipo que maneja esta información que pretende conseguir datos más operativos para la comunidad científica.

Actualmente se encuentran en una fase en la que están desplazando el satélite a una órbita lo más cercana posible a la Tierra, con la intención de conseguir una información más detallada sobre el campo de gravedad.

Campo de gravedad

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