Gravedad para niños
La gravedad es un fenómeno natural que hace que los objetos con masa o energía se atraigan entre sí. Este efecto se ve claramente en cómo interactúan los planetas, las galaxias y otros cuerpos en el universo. La gravedad es como una distorsión del espacio-tiempo y es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Es la fuerza que sientes cuando estás cerca de un objeto astronómico y fue la primera de estas fuerzas en ser estudiada. También se le llama interacción gravitatoria o gravitación.
Grandes científicos han contribuido al estudio de la gravedad. Aristóteles la mencionó en su obra Física, Newton la explicó con su ley de gravitación universal, y Einstein la describió de una nueva forma con su relatividad general. Hoy en día, los científicos siguen investigando para entenderla completamente a nivel muy pequeño, con la mecánica cuántica.
Si un objeto está cerca de un planeta, un observador verá que el objeto se acelera hacia el centro del planeta, siempre que no haya otras fuerzas actuando sobre él. La Oficina Internacional de Pesas y Medidas estableció en 1901 un valor estándar para la gravedad en la superficie de la Tierra, que es de 9,80665 metros por segundo al cuadrado (m/s²).
Contenido
¿Qué es la Gravedad?
La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales que existen en la naturaleza. Es la responsable de los grandes movimientos que vemos en el universo. Por ejemplo, la Luna gira alrededor de la Tierra, y los planetas giran alrededor del Sol. A escala del universo, la gravedad es la fuerza más importante, ya que controla la mayoría de los fenómenos grandes. Las otras tres fuerzas fundamentales son más importantes a escalas muy pequeñas. El electromagnetismo explica otros fenómenos que vemos a simple vista, mientras que la interacción fuerte y la interacción débil solo son importantes a nivel de partículas muy pequeñas.
El término "gravedad" también se usa para hablar de la intensidad de este fenómeno en la superficie de los planetas o satélites. Isaac Newton fue el primero en decir que la fuerza que hace que los objetos caigan en la Tierra es la misma que mantiene a los planetas y las estrellas en movimiento. Esta idea lo llevó a crear la primera teoría general de la gravitación, explicando que la gravedad es un fenómeno universal. La publicó en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.
Albert Einstein, con su teoría de la relatividad general, dio una explicación diferente de la gravedad. Según su teoría, la gravedad se puede entender como un efecto de cómo la materia deforma el espacio-tiempo. Imagina que el espacio y el tiempo no son planos, sino que se curvan cuando hay una gran cantidad de materia. Esta curvatura hace que los objetos se muevan de cierta manera, como si fueran empujados hacia el centro de la masa. Así, la gravedad no es una fuerza misteriosa que atrae, sino el resultado de esta deformación del espacio-tiempo.
Hoy en día, los científicos siguen buscando una nueva teoría, llamada gravedad cuántica, que pueda describir la gravedad junto con los fenómenos cuánticos. Esto ayudaría a entender los primeros momentos del Big Bang o lo que ocurre dentro de los agujeros negros.
¿Cómo se ha Entendido la Gravedad a lo Largo del Tiempo?
Ideas Antiguas sobre la Gravedad
En la antigua Grecia, el filósofo Aristóteles pensaba que los objetos caían más rápido si eran más pesados. También creía que la velocidad de caída dependía de la densidad del líquido o aire en el que caían.
Más tarde, Estratón de Lámpsaco no estaba de acuerdo con Aristóteles. Él pensaba que los objetos no ganaban peso al caer, sino que su mayor impacto se debía a que aumentaban su velocidad. Epicuro creía que el peso era una característica propia de los átomos que afectaba su movimiento.
El astrónomo griego Aristarco de Samos propuso que la Tierra giraba alrededor del Sol. Un seguidor suyo, Seleuco de Seleucia, notó la relación entre las mareas y las fases de la Luna.
Arquímedes descubrió el centro de gravedad de un triángulo y explicó que los objetos sumergidos en un líquido experimentan una fuerza hacia arriba igual al peso del líquido que desplazan.
El filósofo griego Plutarco sugirió que la atracción gravitacional no era solo de la Tierra. El arquitecto romano Vitruvio pensaba que la gravedad dependía de la "naturaleza" de una sustancia, no solo de su peso.
En el siglo VI, el estudioso Juan Filópono observó que si se dejaban caer dos objetos de diferente peso desde la misma altura, la diferencia en el tiempo de caída era muy pequeña, no tan grande como Aristóteles había dicho.
La Gravedad en la Revolución Científica
Los estudios modernos sobre la gravedad comenzaron con Galileo Galilei a finales del siglo XVI y principios del XVII. Se dice que Galileo dejó caer bolas desde la Torre inclinada de Pisa (aunque esto podría ser una leyenda). Lo que sí hizo fue medir cuidadosamente cómo rodaban las bolas por un plano inclinado. Con esto, demostró que la aceleración de la gravedad es la misma para todos los objetos, sin importar su peso. Esto fue muy importante, ya que contradecía la idea de Aristóteles. Galileo explicó que la resistencia del aire es la razón por la que los objetos ligeros o con mucha superficie caen más lentamente. El trabajo de Galileo fue la base para la teoría de Newton.
La Ley de Gravitación Universal de Isaac Newton
En 1687, el matemático inglés Sir Isaac Newton publicó su libro Principia. En él, propuso la ley de la inversa del cuadrado de la gravitación universal. Él mismo dijo que las fuerzas que mantienen a los planetas en sus órbitas son inversamente proporcionales al cuadrado de sus distancias.
La fórmula de la ley de Newton es: 
Donde F es la fuerza de gravedad, m1 y m2 son las masas de los objetos, r es la distancia entre sus centros, y G es la constante gravitatoria.
La teoría de Newton fue muy exitosa. Por ejemplo, se usó para predecir la existencia del planeta Neptuno. Los científicos John Couch Adams y Urbain Le Verrier calcularon dónde debería estar el planeta basándose en los movimientos de Urano, que no se podían explicar solo con los planetas conocidos. Los cálculos de Le Verrier llevaron a Johann Gottfried Galle a descubrir Neptuno.
Sin embargo, hubo un pequeño problema con la órbita de Mercurio. A finales del siglo XIX, se notó que su órbita tenía unas pequeñas desviaciones que la teoría de Newton no podía explicar. Se buscó otro planeta que pudiera estar causando esto, pero no se encontró nada. Este misterio se resolvió en 1915 con la nueva teoría de la relatividad general de Albert Einstein, que explicó perfectamente esa pequeña desviación en la órbita de Mercurio.
Aunque la teoría de Newton ha sido mejorada por la relatividad general de Einstein, todavía se usa mucho para la mayoría de los cálculos de gravedad. Es más sencilla de usar y da resultados muy precisos para objetos que no se mueven a velocidades muy altas.
El Principio de Equivalencia
El principio de equivalencia es una idea importante que dice que todos los objetos caen de la misma manera. También dice que los efectos de la gravedad son muy parecidos a los efectos de la aceleración o desaceleración. La forma más sencilla de probar esto es dejar caer dos objetos de diferente peso en el vacío. Verás que caen al suelo al mismo tiempo. Esto demuestra que todos los objetos caen a la misma velocidad si no hay otras fuerzas, como la resistencia del aire.
Hay diferentes formas de entender este principio:
- Principio de equivalencia débil: La trayectoria de un objeto en un campo gravitatorio solo depende de dónde empieza y de su velocidad inicial, no de lo que está hecho.
- Principio de equivalencia einsteiniano: El resultado de cualquier experimento que no sea de gravedad, hecho en un laboratorio que cae libremente, no depende de la velocidad del laboratorio ni de su ubicación en el espacio-tiempo.
La Gravedad según Isaac Newton
En la teoría de la gravedad de Newton, la gravedad siempre atrae. La fuerza se calcula desde el centro de gravedad de los objetos. La gravedad de Newton tiene un alcance infinito, lo que significa que dos objetos, por muy lejos que estén, se atraen. Sin embargo, la fuerza es más fuerte si los objetos están cerca y se debilita a medida que se alejan. Newton también pensó que la gravedad era una acción a distancia, lo que significa que actuaba al instante sin necesidad de contacto.
La ley de la gravitación universal de Isaac Newton dice que la fuerza que un objeto con masa 
ejerce sobre otro con masa 
es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Por ejemplo, podemos calcular la fuerza de atracción entre la Tierra y un cuerpo de 50 kg. La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg y la distancia desde el centro de la Tierra hasta el cuerpo es de unos 6.378.140 metros. Usando la fórmula, la fuerza es de aproximadamente 490 Newtons. Esto es lo que llamamos el peso del cuerpo, que es de 50 kgf (kilogramos-fuerza).
De esta ley, sacamos algunas conclusiones importantes:
- Las fuerzas gravitatorias siempre atraen. Por eso los planetas giran en órbitas cerradas alrededor del Sol.
- Tienen un alcance infinito. Dos cuerpos, por muy lejos que estén, sienten esta fuerza.
- La fuerza de gravedad es central, lo que significa que actúa a lo largo de la línea que une los centros de los objetos.
- Cuanto mayor es la distancia, menor es la fuerza de atracción, y cuanto menor es la distancia, mayor es la fuerza.
Aunque la teoría de Newton es antigua, todavía se usa mucho para calcular el movimiento de objetos en el sistema solar. Sin embargo, para entender la gravedad de forma más completa, necesitamos la teoría de la Relatividad General.
El Movimiento de Dos Cuerpos y las Órbitas Planetarias
Cuando la ley de Newton se aplica a dos objetos, como un planeta y una estrella, se descubre que ambos se mueven en una sección cónica (como una elipse, parábola o hipérbola) alrededor de su centro de masa. Si la energía total del sistema es negativa, las trayectorias serán elipses. Este resultado fue la primera explicación teórica de por qué los planetas se mueven en órbitas elípticas, tal como lo describieron las leyes de Kepler.
El Problema de los Tres Cuerpos
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Según la descripción de Newton, cuando tres cuerpos se mueven bajo la influencia de su gravedad mutua, como el sistema Sol-Tierra-Luna, la fuerza sobre cada cuerpo es la suma de las fuerzas gravitatorias de los otros dos. Las ecuaciones para describir este movimiento son difíciles de resolver porque no son sencillas. De hecho, el movimiento de tres cuerpos puede ser muy impredecible, lo que se conoce como dinámica caótica.
Desde la época de Newton, se ha intentado encontrar soluciones exactas para el problema de los tres cuerpos. A finales del siglo XIX, Henri Poincaré demostró que no era posible encontrar una solución general simple. Solo en algunos casos especiales se pueden encontrar soluciones más sencillas. Por ejemplo, si la masa de uno de los cuerpos es mucho menor que la de los otros dos, el problema se simplifica.
La Gravedad según Albert Einstein: Relatividad General
Albert Einstein cambió la forma de entender la gravedad con su teoría de la relatividad general. Él describió la gravedad como una deformación de la geometría del espacio-tiempo causada por la masa de los objetos. El espacio y el tiempo no son solo un fondo fijo, sino que se curvan y se deforman.
Según Einstein, la "fuerza de la gravedad" que sentimos no es un empuje real, sino una ilusión causada por la geometría. Imagina que la Tierra deforma el espacio-tiempo a su alrededor, y esta deformación es lo que nos "empuja" hacia el suelo. Es como una hormiga caminando sobre un papel arrugado: la hormiga sentirá que hay fuerzas que la empujan en diferentes direcciones, pero en realidad solo son los pliegues del papel.
La gravedad, según la relatividad, es generalmente atractiva. Sin embargo, existe algo llamado energía oscura que parece tener un efecto gravitacional repulsivo, lo que está causando que el universo se expanda cada vez más rápido. Por eso, la gravedad es la fuerza más importante para explicar los movimientos de los cuerpos celestes.
Ondas Gravitatorias
La relatividad general también predice la existencia de ondas gravitatorias. Estas ondas son como "arrugas" en el espacio-tiempo que se propagan. Solo se podrían medir si son causadas por eventos muy violentos en el espacio, como el choque de dos estrellas masivas o restos del Big Bang. Se ha detectado evidencia indirecta de estas ondas en la variación del período de rotación de púlsares dobles. Además, el proyecto LIGO ha detectado ondas gravitatorias directamente, provenientes de la unión de dos agujeros negros.
Efectos de la Gravedad según Einstein
Gracias a la teoría de Einstein, se pueden explicar y estudiar fenómenos que antes no se entendían:
- Desviación de la luz hacia el rojo: La frecuencia de la luz disminuye cuando pasa por una región con mucha gravedad. Esto fue confirmado por el experimento de Pound y Rebka en 1959.
- Dilatación gravitatoria del tiempo: Los relojes que están en lugares con mucha gravedad marcan el tiempo más lentamente que los relojes en lugares con menos gravedad. Esto se ha demostrado con relojes atómicos en la Tierra y con los relojes de los satélites del GPS (Sistema de Posicionamiento Global).
- Efecto Shapiro (retraso gravitatorio): Las señales que atraviesan un campo gravitatorio intenso tardan más tiempo en hacerlo.
- Decaimiento orbital: Las órbitas de algunos sistemas binarios (como púlsares) se hacen más pequeñas debido a la emisión de radiación gravitatoria.
- Precesión geodésica: La orientación de un giroscopio en rotación cambia con el tiempo debido a la curvatura del espacio-tiempo. Esto se está probando con el satélite Gravity Probe B.
La Búsqueda de una Teoría Unificada: Gravedad Cuántica
Aunque todavía no tenemos una descripción completa de la gravedad a nivel cuántico, los científicos están trabajando en teorías que combinen los principios cuánticos con la teoría de la gravedad de Einstein. Hay algunas ideas prometedoras, como la gravedad cuántica de bucles y la teoría de supercuerdas, pero ninguna es un modelo completo que pueda hacer predicciones muy precisas.
Una de las mayores dificultades es que en otras teorías cuánticas, el espacio-tiempo es fijo, pero en una teoría cuántica de la gravedad, el propio espacio-tiempo debería estar sujeto a las reglas de la probabilidad. La unificación de la gravedad con las otras fuerzas fundamentales sigue siendo un gran desafío para los físicos. La existencia de la materia oscura o la aceleración de la expansión del universo sugieren que aún nos falta una teoría completa de las interacciones gravitatorias.
Otro punto difícil es que, según los principios cuánticos, el campo gravitatorio debería manifestarse en "cuantos" o partículas que transmiten la influencia gravitatoria. A esta supuesta partícula se le llama gravitón. Debería ser una partícula sin masa (o con una masa muy pequeña). Sin embargo, los experimentos para detectar ondas gravitatorias aún no han encontrado evidencia del gravitón, por lo que, por ahora, es solo una idea.
La Interacción Gravitatoria como Fuerza Fundamental
La interacción gravitatoria es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza, junto con el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. A diferencia de las fuerzas nucleares, la gravedad actúa a grandes distancias, al igual que el electromagnetismo. Sin embargo, a diferencia del electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de atracción. Aunque hay casos especiales donde la gravedad puede parecer repulsiva, como la energía oscura. Por eso, la gravedad es la fuerza más importante para explicar los movimientos de los cuerpos celestes.
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Véase también
En inglés: Gravity Facts for Kids
