La gravedad es la fuerza más poderosa del Universo, uno de los cuatro principios fundamentales del universo, que determina su estructura. Érase una vez, gracias a él, surgieron planetas, estrellas y galaxias enteras. Hoy mantiene a la Tierra en órbita en su interminable viaje alrededor del Sol.
La atracción también es de gran importancia para la vida diaria de una persona. Gracias a esta fuerza invisible, los océanos de nuestro mundo pulsan, los ríos fluyen y las gotas de lluvia caen al suelo. Desde pequeños sentimos el peso de nuestro cuerpo y de los objetos que nos rodean. La influencia de la gravedad en nuestras actividades económicas también es enorme.
La primera teoría de la gravedad fue creada por Isaac Newton a finales del siglo XVII. Su Ley de Gravitación Universal describe esta interacción en el marco de la mecánica clásica. Este fenómeno fue descrito más ampliamente por Einstein en su teoría general de la relatividad, publicada a principios del siglo pasado. Los procesos que ocurren con la fuerza de gravedad a nivel de partículas elementales deberían explicarse mediante la teoría cuántica de la gravedad, pero aún no se ha creado.
Sabemos mucho más sobre la naturaleza de la gravedad hoy que en la época de Newton, pero a pesar de siglos de estudio, sigue siendo un verdadero obstáculo para la física moderna. Hay muchos espacios en blanco en la teoría de la gravedad existente y todavía no entendemos exactamente qué la genera y cómo se transmite esta interacción. Y, por supuesto, estamos muy lejos de poder controlar la fuerza de gravedad, por lo que la antigravedad o la levitación existirán durante mucho tiempo sólo en las páginas de las novelas de ciencia ficción.
¿Qué cayó sobre la cabeza de Newton?
La gente siempre se ha preguntado sobre la naturaleza de la fuerza que atrae los objetos hacia la Tierra, pero no fue hasta el siglo XVII que Isaac Newton logró levantar el velo del misterio. La base de su avance la sentaron los trabajos de Kepler y Galileo, brillantes científicos que estudiaron los movimientos de los cuerpos celestes.
Incluso un siglo y medio antes de la Ley de Gravitación Universal de Newton, el astrónomo polaco Copérnico creía que la atracción es “... nada más que un deseo natural con el que el padre del Universo dotó a todas las partículas, es decir, unirse en un todo común, formando cuerpos esféricos”. Descartes consideraba que la atracción era una consecuencia de las perturbaciones en el éter mundial. El filósofo y científico griego Aristóteles estaba seguro de que la masa afecta la velocidad de caída de los cuerpos. Y sólo Galileo Galilei, a finales del siglo XVI, demostró que esto no era cierto: si no hay resistencia del aire, todos los objetos se aceleran por igual.
Contrariamente a la leyenda popular de la cabeza y la manzana, Newton tardó más de veinte años en comprender la naturaleza de la gravedad. Su ley de la gravedad es uno de los descubrimientos científicos más importantes de todos los tiempos. Es universal y permite calcular las trayectorias de los cuerpos celestes y describir con precisión el comportamiento de los objetos que nos rodean. La teoría clásica de la gravedad sentó las bases de la mecánica celeste. Las tres leyes de Newton dieron a los científicos la oportunidad de descubrir nuevos planetas literalmente "con la punta de la pluma"; al final, gracias a ellas, el hombre pudo vencer la gravedad de la Tierra y volar al espacio. Aportaron una base científica estricta al concepto filosófico de la unidad material del universo, en el que todos los fenómenos naturales están interconectados y gobernados por reglas físicas generales.
Newton no sólo publicó una fórmula que permite calcular la fuerza que atrae los cuerpos entre sí, sino que también creó un modelo completo, que también incluía análisis matemático. Estas conclusiones teóricas se han confirmado repetidamente en la práctica, incluso utilizando los métodos más modernos.
En la teoría newtoniana, cualquier objeto material genera un campo de atracción, al que se le llama gravitacional. Además, la fuerza es proporcional a la masa de ambos cuerpos e inversamente proporcional a la distancia entre ellos:
F = (Gm1m2)/r2
G es la constante gravitacional, que es igual a 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Henry Cavendish fue el primero en calcularlo en 1798.
En la vida cotidiana y en las disciplinas aplicadas, la fuerza con la que la tierra atrae un cuerpo se denomina peso. La atracción entre dos objetos materiales cualesquiera en el Universo es lo que es la gravedad en palabras simples.
La fuerza de gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales de la física, pero por sus propiedades es capaz de regular el movimiento de sistemas estelares y galaxias:
- La atracción funciona a cualquier distancia, ésta es la principal diferencia entre la gravedad y las interacciones nucleares fuertes y débiles. A medida que aumenta la distancia, su efecto disminuye, pero nunca llega a ser igual a cero, por lo que podemos decir que incluso dos átomos ubicados en diferentes extremos de la galaxia tienen una influencia mutua. Es simplemente muy pequeño;
- La gravedad es universal. El campo de atracción es inherente a cualquier cuerpo material. Los científicos aún no han descubierto ningún objeto en nuestro planeta o en el espacio que no participe en este tipo de interacción, por lo que el papel de la gravedad en la vida del Universo es enorme. Esto distingue la gravedad de la interacción electromagnética, cuya influencia en los procesos cósmicos es mínima, ya que en la naturaleza la mayoría de los cuerpos son eléctricamente neutros. Las fuerzas gravitacionales no pueden limitarse ni protegerse;
- La gravedad actúa no sólo sobre la materia, sino también sobre la energía. Para él, la composición química de los objetos no importa; sólo importa su masa.
Utilizando la fórmula de Newton, la fuerza de atracción se puede calcular fácilmente. Por ejemplo, la gravedad en la Luna es varias veces menor que la de la Tierra, porque nuestro satélite tiene una masa relativamente pequeña. Pero es suficiente para formar flujos y reflujos regulares en el Océano Mundial. En la Tierra, la aceleración debida a la gravedad es de aproximadamente 9,81 m/s2. Además, en los polos es ligeramente mayor que en el ecuador.
A pesar de su enorme importancia para el futuro desarrollo de la ciencia, las leyes de Newton tenían una serie de debilidades que atormentaban a los investigadores. No estaba claro cómo actúa la gravedad en el espacio absolutamente vacío, a grandes distancias y a una velocidad incomprensible. Además, poco a poco se fueron acumulando datos que contradecían las leyes de Newton: por ejemplo, la paradoja gravitacional o el desplazamiento del perihelio de Mercurio. Se hizo evidente que la teoría de la gravitación universal necesitaba mejoras. Este honor recayó en el brillante físico alemán Albert Einstein.
La atracción y la teoría de la relatividad.
La negativa de Newton a discutir la naturaleza de la gravedad (“No invento ninguna hipótesis”) fue una debilidad obvia de su concepto. No es sorprendente que en los años siguientes surgieran muchas teorías sobre la gravedad.
La mayoría de ellos pertenecían a los llamados modelos hidrodinámicos, que intentaban fundamentar la aparición de la gravedad mediante la interacción mecánica de objetos materiales con alguna sustancia intermedia que tenía determinadas propiedades. Los investigadores lo llamaron de otra manera: "vacío", "éter", "flujo de gravitones", etc. En este caso, la fuerza de atracción entre cuerpos surgió como resultado de cambios en esta sustancia, cuando era absorbida por objetos o flujos protegidos. En realidad, todas estas teorías tenían un serio inconveniente: al predecir con bastante precisión la dependencia de la fuerza gravitacional de la distancia, deberían haber llevado a la desaceleración de los cuerpos que se movían en relación con el "éter" o "flujo de gravitones".
Einstein abordó este tema desde un ángulo diferente. En su teoría general de la relatividad (GTR), la gravedad no se considera una interacción de fuerzas, sino una propiedad del propio espacio-tiempo. Cualquier objeto que tenga masa hace que se doble, lo que provoca atracción. En este caso, la gravedad es un efecto geométrico que se considera en el marco de la geometría no euclidiana.
En pocas palabras, el continuo espacio-tiempo afecta a la materia y provoca su movimiento. Y ella, a su vez, influye en el espacio, “diciéndole” cómo doblarse.
Las fuerzas de atracción también actúan en el microcosmos, pero a nivel de partículas elementales su influencia, en comparación con la interacción electrostática, es insignificante. Los físicos creen que la interacción gravitacional no fue inferior a otras en los primeros momentos (10 -43 segundos) después del Big Bang.
Actualmente, el concepto de gravedad propuesto en la teoría general de la relatividad es la principal hipótesis de trabajo aceptada por la mayoría de la comunidad científica y confirmada por los resultados de numerosos experimentos.
Einstein en su trabajo previó los sorprendentes efectos de las fuerzas gravitacionales, la mayoría de los cuales ya han sido confirmados. Por ejemplo, la capacidad de los cuerpos masivos para desviar los rayos de luz e incluso ralentizar el paso del tiempo. Este último fenómeno debe tenerse en cuenta a la hora de utilizar sistemas globales de navegación por satélite como GLONASS y GPS, ya que de lo contrario al cabo de unos días su error sería de decenas de kilómetros.
Además, una consecuencia de la teoría de Einstein son los llamados efectos sutiles de la gravedad, como el campo gravimagnético y la resistencia de los sistemas de referencia inerciales (también conocido como efecto Lense-Thirring). Estas manifestaciones de gravedad son tan débiles que no se pueden detectar durante mucho tiempo. Recién en 2005, gracias a la misión única de la NASA Gravity Probe B, se confirmó el efecto Lense-Thirring.
La radiación gravitacional o el descubrimiento más fundamental de los últimos años
Las ondas gravitacionales son vibraciones de la estructura geométrica del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. La existencia de este fenómeno también fue predicha por Einstein en la Relatividad General, pero debido a la debilidad de la fuerza gravitacional, su magnitud es muy pequeña, por lo que no pudo detectarse durante mucho tiempo. Sólo evidencia indirecta apoyó la existencia de radiación.
Ondas similares son generadas por cualquier objeto material que se mueva con aceleración asimétrica. Los científicos las describen como "ondas en el espacio-tiempo". Las fuentes más potentes de este tipo de radiación son las galaxias en colisión y los sistemas en colapso formados por dos objetos. Un ejemplo típico de este último caso es la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones. Durante tales procesos, la radiación gravitacional puede transferir más del 50% de la masa total del sistema.
Las ondas gravitacionales fueron descubiertas por primera vez en 2015 por dos observatorios LIGO. Casi de inmediato, este evento recibió el estatus de mayor descubrimiento en física de las últimas décadas. En 2017 recibió el Premio Nobel. Después de esto, los científicos lograron detectar radiación gravitacional varias veces más.
En los años 70 del siglo pasado, mucho antes de la confirmación experimental, los científicos propusieron utilizar la radiación gravitacional para las comunicaciones a larga distancia. Su indudable ventaja es su alta capacidad para atravesar cualquier sustancia sin ser absorbido. Pero en la actualidad esto es prácticamente imposible, porque existen enormes dificultades para generar y recibir estas ondas. Y todavía no tenemos suficiente conocimiento real sobre la naturaleza de la gravedad.
Hoy en día, varias instalaciones similares a LIGO están funcionando en diferentes países del mundo y se están construyendo otras nuevas. Es probable que aprendamos más sobre la radiación gravitacional en un futuro próximo.
Teorías alternativas de la gravedad universal y las razones de su creación.
Actualmente, el concepto dominante de gravedad es la relatividad general. Todo el conjunto existente de datos y observaciones experimentales es coherente con ello. Al mismo tiempo, tiene una gran cantidad de debilidades obvias y cuestiones controvertidas, por lo que los intentos de crear nuevos modelos que expliquen la naturaleza de la gravedad no cesan.
Todas las teorías de la gravitación universal desarrolladas hasta la fecha se pueden dividir en varios grupos principales:
- estándar;
- alternativa;
- cuántico;
- Teoría del campo unificado.
Ya en el siglo XIX se intentó crear un nuevo concepto de gravedad universal. Diversos autores incluyeron en ella el éter o la teoría corpuscular de la luz. Pero la aparición de la Relatividad General puso fin a estas investigaciones. Después de su publicación, el objetivo de los científicos cambió: ahora sus esfuerzos estaban dirigidos a mejorar el modelo de Einstein, incluyendo en él nuevos fenómenos naturales: el giro de las partículas, la expansión del Universo, etc.
A principios de la década de 1980, los físicos habían rechazado experimentalmente todos los conceptos excepto aquellos que incluían la relatividad general como parte integral. En esta época se pusieron de moda las “teorías de cuerdas”, que parecían muy prometedoras. Pero estas hipótesis nunca han sido confirmadas experimentalmente. Durante las últimas décadas, la ciencia ha alcanzado alturas significativas y ha acumulado una enorme cantidad de datos empíricos. Hoy en día, los intentos de crear teorías alternativas sobre la gravedad se inspiran principalmente en investigaciones cosmológicas relacionadas con conceptos como "materia oscura", "inflación" y "energía oscura".
Una de las principales tareas de la física moderna es la unificación de dos direcciones fundamentales: la teoría cuántica y la relatividad general. Los científicos están tratando de conectar la atracción con otros tipos de interacciones, creando así una "teoría del todo". Esto es exactamente lo que hace la gravedad cuántica: una rama de la física que intenta proporcionar una descripción cuántica de las interacciones gravitacionales. Una rama de esta dirección es la teoría de la gravedad en bucle.
A pesar de muchos años de esfuerzos activos, este objetivo aún no se ha logrado. Y ni siquiera es la complejidad de este problema: es sólo que la teoría cuántica y la relatividad general se basan en paradigmas completamente diferentes. La mecánica cuántica se ocupa de los sistemas físicos que funcionan en el contexto del espacio-tiempo ordinario. Y en la teoría de la relatividad, el espacio-tiempo en sí es un componente dinámico, dependiendo de los parámetros de los sistemas clásicos que se encuentran en él.
Junto a las hipótesis científicas sobre la gravedad universal, también existen teorías que están muy alejadas de la física moderna. Desafortunadamente, en los últimos años, tales "opus" simplemente han inundado Internet y los estantes de las librerías. Algunos autores de este tipo de obras generalmente informan al lector que la gravedad no existe y que las leyes de Newton y Einstein son ficciones y engaños.
Un ejemplo son los trabajos del "científico" Nikolai Levashov, quien afirma que Newton no descubrió la ley de la gravitación universal, y que en el sistema solar sólo los planetas y nuestro satélite, la Luna, tienen fuerza gravitacional. Este “científico ruso” aporta pruebas bastante extrañas. Uno de ellos es el vuelo de la sonda estadounidense NEAR Shoemaker al asteroide Eros, que tuvo lugar en el año 2000. Levashov considera que la falta de atracción entre la sonda y el cuerpo celeste es una prueba de la falsedad de los trabajos de Newton y de una conspiración de los físicos que ocultan a la gente la verdad sobre la gravedad.
De hecho, la nave espacial completó con éxito su misión: primero entró en la órbita del asteroide y luego realizó un aterrizaje suave en su superficie.
Gravedad artificial y por qué es necesaria.
Hay dos conceptos asociados a la gravedad que, a pesar de su estatus teórico actual, son muy conocidos por el gran público. Estos son la antigravedad y la gravedad artificial.
La antigravedad es un proceso de contrarrestar la fuerza de atracción, que puede reducirla significativamente o incluso reemplazarla con repulsión. Dominar esta tecnología conduciría a una verdadera revolución en el transporte, la aviación y la exploración espacial y cambiaría radicalmente nuestras vidas. Pero actualmente la posibilidad de la antigravedad ni siquiera tiene confirmación teórica. Además, según la relatividad general, tal fenómeno no es factible en absoluto, ya que no puede haber masa negativa en nuestro Universo. Es posible que en el futuro aprendamos más sobre la gravedad y aprendamos a construir aviones basados en este principio.
La gravedad artificial es un cambio provocado por el hombre en la fuerza de gravedad existente. Hoy en día realmente no necesitamos esa tecnología, pero la situación definitivamente cambiará después del inicio de los viajes espaciales de larga duración. Y el punto está en nuestra fisiología. El cuerpo humano, “acostumbrado” durante millones de años de evolución a la gravedad constante de la Tierra, percibe los efectos de la gravedad reducida de manera extremadamente negativa. Una estancia prolongada incluso en condiciones de gravedad lunar (seis veces más débil que la de la Tierra) puede tener consecuencias nefastas. La ilusión de atracción se puede crear utilizando otras fuerzas físicas, como la inercia. Sin embargo, estas opciones son complejas y costosas. Por el momento, la gravedad artificial ni siquiera tiene justificación teórica; es obvio que su posible implementación práctica es una cuestión de un futuro muy lejano.
La gravedad es un concepto conocido por todos desde la escuela. ¡Parecería que los científicos deberían haber investigado a fondo este fenómeno! Pero la gravedad sigue siendo el misterio más profundo para la ciencia moderna. Y esto se puede llamar un excelente ejemplo de cuán limitado es el conocimiento humano sobre nuestro enorme y maravilloso mundo.
Si tienes alguna pregunta, déjala en los comentarios debajo del artículo. Nosotros o nuestros visitantes estaremos encantados de responderles.
En la naturaleza existen diversas fuerzas que caracterizan la interacción de los cuerpos. Consideremos las fuerzas que ocurren en mecánica.
Fuerzas gravitacionales. Probablemente la primera fuerza de cuya existencia el hombre se dio cuenta fue la fuerza de gravedad que actúa sobre los cuerpos de la Tierra.
Y se necesitaron muchos siglos para que la gente entendiera que la fuerza de gravedad actúa entre cualquier cuerpo. Y se necesitaron muchos siglos para que la gente entendiera que la fuerza de gravedad actúa entre cualquier cuerpo. El físico inglés Newton fue el primero en comprender este hecho. Al analizar las leyes que gobiernan el movimiento de los planetas (leyes de Kepler), llegó a la conclusión de que las leyes observadas del movimiento de los planetas sólo pueden cumplirse si existe una fuerza de atracción entre ellos, directamente proporcional a sus masas e inversamente proporcional a la cuadrado de la distancia entre ellos.
Newton formuló ley de gravitación universal. Dos cuerpos cualesquiera se atraen. La fuerza de atracción entre cuerpos puntuales se dirige a lo largo de la recta que los conecta, es directamente proporcional a las masas de ambos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos:
En este caso, se entiende por cuerpos puntuales aquellos cuerpos cuyas dimensiones son muchas veces menores que la distancia entre ellos.
Las fuerzas de la gravedad universal se llaman fuerzas gravitacionales. El coeficiente de proporcionalidad G se llama constante gravitacional. Su valor se determinó experimentalmente: G = 6,7 10¯¹¹ N m²/kg².
Gravedad que actúa cerca de la superficie de la Tierra está dirigida hacia su centro y se calcula mediante la fórmula:
donde g es la aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s²).
El papel de la gravedad en la naturaleza viva es muy significativo, ya que de su magnitud depende en gran medida el tamaño, la forma y las proporciones de los seres vivos.
Peso corporal. Consideremos lo que sucede cuando se coloca alguna carga en un plano horizontal (soporte). En el primer momento después de bajar la carga, comienza a moverse hacia abajo bajo la influencia de la gravedad (Fig. 8).
El plano se dobla y aparece una fuerza elástica (reacción de apoyo) dirigida hacia arriba. Una vez que la fuerza elástica (Fу) equilibra la fuerza de gravedad, se detendrá el descenso del cuerpo y la desviación del soporte.
La deflexión del soporte surgió bajo la acción del cuerpo, por lo tanto, una cierta fuerza (P) actúa sobre el soporte desde el costado del cuerpo, que se llama peso del cuerpo (Fig. 8, b). Según la tercera ley de Newton, el peso de un cuerpo es igual en magnitud a la fuerza de reacción del suelo y está dirigido en dirección opuesta.
P = - Fу = Fpesado.
Peso corporal Se llama fuerza P con la que un cuerpo actúa sobre un soporte horizontal que está inmóvil respecto a él..
Dado que la fuerza de gravedad (peso) se aplica al soporte, este se deforma y, debido a su elasticidad, contrarresta la fuerza de gravedad. Las fuerzas desarrolladas en este caso desde el lado del soporte se denominan fuerzas de reacción de soporte, y el fenómeno mismo del desarrollo de la contrarrestación se llama reacción de soporte. Según la tercera ley de Newton, la fuerza de reacción del soporte es igual en magnitud a la fuerza de gravedad del cuerpo y de dirección opuesta.
Si una persona sobre un soporte se mueve con la aceleración de las partes de su cuerpo dirigidas desde el soporte, entonces la fuerza de reacción del soporte aumenta en la cantidad ma, donde m es la masa de la persona y es la aceleración con la que partes de su cuerpo se mueven. Estos efectos dinámicos se pueden registrar utilizando dispositivos extensímetros (dinamogramas).
No se debe confundir el peso con el peso corporal. La masa de un cuerpo caracteriza sus propiedades inertes y no depende ni de la fuerza de gravedad ni de la aceleración con la que se mueve.
El peso de un cuerpo caracteriza la fuerza con la que actúa sobre el soporte y depende tanto de la fuerza de gravedad como de la aceleración del movimiento.
Por ejemplo, en la Luna el peso de un cuerpo es aproximadamente 6 veces menor que el peso de un cuerpo en la Tierra, la masa en ambos casos es la misma y está determinada por la cantidad de materia que hay en el cuerpo.
En la vida cotidiana, la tecnología y los deportes, el peso a menudo no se indica en newtons (N), sino en kilogramos de fuerza (kgf). La transición de una unidad a otra se realiza según la fórmula: 1 kgf = 9,8 N.
Cuando el soporte y el cuerpo están inmóviles, entonces la masa del cuerpo es igual a la gravedad de este cuerpo. Cuando el soporte y el cuerpo se mueven con cierta aceleración, entonces, dependiendo de su dirección, el cuerpo puede experimentar ingravidez o sobrecarga. Cuando la aceleración coincide en dirección y es igual a la aceleración de la gravedad, el peso del cuerpo será cero, por lo que surge un estado de ingravidez (ISS, ascensor de alta velocidad al bajar). Cuando la aceleración del movimiento de apoyo es opuesta a la aceleración de la caída libre, una persona experimenta una sobrecarga (el lanzamiento de una nave espacial tripulada desde la superficie de la Tierra, un ascensor de alta velocidad que se eleva hacia arriba).
La gravedad, también conocida como atracción o gravitación, es una propiedad universal de la materia que poseen todos los objetos y cuerpos del Universo. La esencia de la gravedad es que todos los cuerpos materiales atraen a todos los demás cuerpos que los rodean.
gravedad terrestre
Si la gravedad es un concepto general y una cualidad que poseen todos los objetos del Universo, entonces la gravedad es un caso especial de este fenómeno integral. La tierra atrae hacia sí todos los objetos materiales que se encuentran en ella. Gracias a esto, las personas y los animales pueden moverse con seguridad por la tierra, los ríos, mares y océanos pueden permanecer dentro de sus costas, y el aire no puede volar a través de las vastas extensiones del espacio, sino formar la atmósfera de nuestro planeta.
Surge una pregunta justa: si todos los objetos tienen gravedad, ¿por qué la Tierra atrae hacia sí a personas y animales, y no al revés? En primer lugar, también atraemos la Tierra hacia nosotros, solo que, en comparación con su fuerza de atracción, nuestra gravedad es insignificante. En segundo lugar, la fuerza de gravedad depende directamente de la masa del cuerpo: cuanto menor es la masa del cuerpo, menores son sus fuerzas gravitacionales.
El segundo indicador del que depende la fuerza de atracción es la distancia entre los objetos: cuanto mayor es la distancia, menor es el efecto de la gravedad. Gracias también a esto, los planetas se mueven en sus órbitas y no caen unos sobre otros.
Es de destacar que la Tierra, la Luna, el Sol y otros planetas deben su forma esférica precisamente a la fuerza de gravedad. Actúa en dirección al centro, atrayendo hacia él la sustancia que constituye el “cuerpo” del planeta.
El campo gravitacional de la Tierra
El campo gravitacional de la Tierra es un campo de energía de fuerza que se forma alrededor de nuestro planeta debido a la acción de dos fuerzas:
- gravedad;
- Fuerza centrífuga, que debe su aparición a la rotación de la Tierra alrededor de su eje (rotación diurna).
Dado que tanto la gravedad como la fuerza centrífuga actúan constantemente, el campo gravitacional es un fenómeno constante.
El campo se ve ligeramente afectado por las fuerzas gravitacionales del Sol, la Luna y algunos otros cuerpos celestes, así como por las masas atmosféricas de la Tierra.
La ley de la gravitación universal y Sir Isaac Newton
El físico inglés Sir Isaac Newton, según una famosa leyenda, un día mientras caminaba por el jardín durante el día, vio la Luna en el cielo. Al mismo tiempo, una manzana cayó de la rama. Newton estudiaba entonces la ley del movimiento y sabía que una manzana cae bajo la influencia de un campo gravitacional y la Luna gira en órbita alrededor de la Tierra.
Y entonces, al brillante científico, iluminado por su intuición, se le ocurrió la idea de que tal vez la manzana caiga al suelo, obedeciendo a la misma fuerza gracias a la cual la Luna se encuentra en su órbita, y no corriendo aleatoriamente por toda la galaxia. Así se descubrió la ley de la gravitación universal, también conocida como Tercera Ley de Newton.
En el lenguaje de las fórmulas matemáticas, esta ley se ve así:
F=GMm/D 2 ,
Dónde F- la fuerza de gravedad mutua entre dos cuerpos;
METRO- masa del primer cuerpo;
metro- masa del segundo cuerpo;
re 2- la distancia entre dos cuerpos;
GRAMO- constante gravitacional igual a 6,67x10 -11.
Primero, imaginemos la Tierra como una bola estacionaria (figura 3.1, a). La fuerza gravitacional F entre la Tierra (masa M) y un objeto (masa m) está determinada por la fórmula: F=GRAMOmm/r2
donde r es el radio de la Tierra. La constante G se conoce como constante gravitacional universal y extremadamente pequeño. Cuando r es constante, la fuerza F es constante. metro. La atracción de un cuerpo de masa m por la Tierra determina el peso de este cuerpo: W = mg La comparación de ecuaciones da: g = const = GM/r 2.
La atracción de un cuerpo de masa m por la Tierra hace que caiga “hacia abajo” con aceleración g, que es constante en todos los puntos A, B, C y en todas partes de la superficie terrestre (Fig. 3.1,6).
El diagrama de fuerza de un cuerpo libre también muestra que hay una fuerza que actúa sobre la Tierra desde un cuerpo de masa m, que tiene dirección opuesta a la fuerza que actúa sobre el cuerpo desde la Tierra. Sin embargo, la masa M de la Tierra es tan grande que la aceleración “hacia arriba” a de la Tierra, calculada mediante la fórmula F = Ma, es insignificante y puede despreciarse. La Tierra no tiene forma esférica: el radio en el polo r r es menor que el radio en el ecuador r e, lo que significa que la fuerza de atracción de un cuerpo de masa m en el polo F p =GMm/r 2 p es mayor que en el ecuador F e = GMm/r e . Por lo tanto, la aceleración de caída libre g p en el polo es mayor que la aceleración de caída libre g e en el ecuador. La aceleración g cambia con la latitud de acuerdo con el cambio en el radio de la Tierra.
Como sabes, la Tierra está en constante movimiento. Gira alrededor de su eje, haciendo una revolución cada día, y se mueve en una órbita alrededor del Sol con una revolución de un año. Para simplificar, tomando la Tierra como una bola homogénea, consideremos el movimiento de cuerpos de masa m en el polo A y en el ecuador C (figura 3.2). En un día, el cuerpo en el punto A gira 360° y permanece en su lugar, mientras que el cuerpo en el punto C recorre una distancia de 2l. Para que un cuerpo ubicado en el punto C se mueva en una órbita circular, se necesita algún tipo de fuerza. Esta es una fuerza centrípeta, que está determinada por la fórmula mv 2 /r, donde v es la velocidad del cuerpo en órbita. La fuerza de atracción gravitacional que actúa sobre un cuerpo situado en el punto C, F = GMm/r, debería:
a) asegurar el movimiento del cuerpo en círculo;
b) atraer el cuerpo a la Tierra.
Por tanto, F = (mv 2 /r)+mg en el ecuador y F = mg en el polo. Esto significa que g cambia con la latitud a medida que el radio orbital cambia de r en el punto C a cero en el punto A.
Es interesante imaginar qué pasaría si la velocidad de rotación de la Tierra aumentara tanto que la fuerza centrípeta que actúa sobre un cuerpo en el ecuador fuera igual a la fuerza de gravedad, es decir, mv 2 /r = F = GMm/r 2 . La fuerza gravitacional total se usaría únicamente para mantener el cuerpo en el punto C en una órbita circular, y no quedaría ninguna fuerza actuando sobre la superficie de la Tierra. Cualquier aumento adicional en la velocidad de rotación de la Tierra permitiría que el cuerpo "flote" hacia el espacio. Al mismo tiempo, si una nave espacial con astronautas a bordo se lanza a una altura R sobre el centro de la Tierra con una velocidad v tal que se cumple la igualdad mv*/R=F = GMm/R 2, entonces esta nave espacial Girar alrededor de la Tierra en condiciones de ingravidez.
Las mediciones precisas de la aceleración gravitacional g muestran que g varía con la latitud, como se muestra en la tabla 3.1. De ello se deduce que el peso de un determinado cuerpo cambia sobre la superficie de la Tierra desde un máximo en la latitud 90° hasta un mínimo en la latitud 0°.
En este nivel de entrenamiento, los pequeños cambios en la aceleración g generalmente se desprecian y se utiliza el valor promedio de 9,81 m-s 2. Para simplificar los cálculos, la aceleración g a menudo se toma como el número entero más cercano, es decir, 10 m-s - 2, y por lo tanto la fuerza de atracción que actúa desde la Tierra sobre un cuerpo que pesa 1 kg, es decir, el peso, se toma como 10 N. La mayoría de las comisiones de examen sugieren usando g=10 m-s - 2 o 10 N-kg -1 para que los examinados simplifiquen los cálculos.
No es ningún secreto que la ley de la gravitación universal fue descubierta por el gran científico inglés Isaac Newton, quien, según la leyenda, paseaba por el jardín al atardecer y pensaba en los problemas de la física. En ese momento cayó del árbol una manzana (según una versión, directamente sobre la cabeza del físico, según otra, simplemente cayó), que más tarde se convirtió en la famosa manzana de Newton, ya que llevó al científico a una idea, un eureka. La manzana que cayó sobre la cabeza de Newton lo inspiró a descubrir la ley de la gravitación universal, porque la Luna en el cielo nocturno permaneció inmóvil, pero la manzana cayó, tal vez el científico pensó que alguna fuerza actuaba sobre la Luna (haciendo que girara en órbita), así sobre la manzana, provocando que caiga al suelo.
Ahora bien, según algunos historiadores de la ciencia, toda esta historia sobre la manzana es simplemente una hermosa ficción. De hecho, si la manzana cayó o no, no es tan importante; lo importante es que el científico realmente descubrió y formuló la ley de la gravitación universal, que ahora es una de las piedras angulares tanto de la física como de la astronomía.
Por supuesto, mucho antes de Newton, la gente observaba tanto las cosas que caían al suelo como las estrellas en el cielo, pero antes de él creían que había dos tipos de gravedad: la terrestre (que actúa exclusivamente dentro de la Tierra, provocando la caída de los cuerpos) y la celeste ( actuando sobre las estrellas y la luna). Newton fue el primero en combinar mentalmente estos dos tipos de gravedad, el primero en comprender que sólo existe una gravedad y que su acción puede describirse mediante una ley física universal.
Definición de la ley de la gravitación universal.
Según esta ley, todos los cuerpos materiales se atraen entre sí y la fuerza de atracción no depende de las propiedades físicas o químicas de los cuerpos. Depende, simplificándolo todo al máximo, sólo del peso de los cuerpos y de la distancia entre ellos. También es necesario tener en cuenta el hecho de que todos los cuerpos de la Tierra se ven afectados por la fuerza gravitacional de nuestro planeta, que se llama gravedad (del latín, la palabra "gravitas" se traduce como pesadez).
Intentemos ahora formular y escribir la ley de la gravitación universal de la manera más breve posible: la fuerza de atracción entre dos cuerpos de masas m1 y m2 y separados por una distancia R es directamente proporcional a ambas masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
Fórmula de la ley de la gravitación universal.
A continuación presentamos a su atención la fórmula de la ley de la gravitación universal.
G en esta fórmula es la constante gravitacional, igual a 6,67408(31) 10 −11, esta es la magnitud del impacto de la fuerza gravitacional de nuestro planeta sobre cualquier objeto material.
La ley de la gravitación universal y la ingravidez de los cuerpos.
La ley de la gravitación universal descubierta por Newton, así como el aparato matemático que la acompaña, formó más tarde la base de la mecánica celeste y la astronomía, porque con su ayuda es posible explicar la naturaleza del movimiento de los cuerpos celestes, así como el fenómeno. de ingravidez. Al estar en el espacio exterior a una distancia considerable de la fuerza de atracción y gravedad de un cuerpo tan grande como un planeta, cualquier objeto material (por ejemplo, una nave espacial con astronautas a bordo) se encontrará en un estado de ingravidez, ya que la fuerza de la influencia gravitacional de la Tierra (G en la fórmula de la ley de la gravedad) o algún otro planeta ya no influirá en ella.
Ley de gravitación universal, vídeo.
Y para concluir, un vídeo instructivo sobre el descubrimiento de la ley de la gravitación universal.
