Gravedad; Concepto y explicación de cómo surge

La atracción gravitatoria es un suceso inherente a la naturaleza mediante el cual elementos y campos físicos que poseen masa o energía se atraen mutuamente, evidencia que se hace más patente al contemplar la interacción que existe entre planetas, galaxias y otros cuerpos celestes del universo. En 1901, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas instauró un valor de gravedad estándar para la superficie terrestre, conforme al Sistema Internacional, cuyo valor invariable es de 9,80665 metros por segundo al cuadrado.

Introducción

La mayor contribución de Newton al estudio de las fuerzas naturales se centró en la explicación de la fuerza gravitatoria. En la actualidad, los investigadores han identificado únicamente otras tres fuerzas fundamentales que, además de la gravedad, explican todas las propiedades y eventos que ocurren en el universo: el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte (responsable de la cohesión de los protones y neutrones en los núcleos atómicos) y la interacción nuclear débil (también conocida como fuerza débil), que se manifiesta en ciertas partículas elementales y explica el fenómeno de la radiactividad.

La concepción del concepto de fuerza se retrotrae a la ley de la gravitación universal, la cual reconoce que todas las partículas materiales, y los cuerpos que se forman por ellas, poseen una característica llamada masa gravitatoria. Esta propiedad provoca que dos partículas cualesquiera ejerzan una fuerza atractiva entre sí (a lo largo de la línea que las une), cuya intensidad es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La fuerza gravitatoria es la que determina el desplazamiento de los planetas alrededor del Sol y el movimiento de los objetos dentro del campo gravitatorio terrestre. Asimismo, esta fuerza es la responsable del colapso gravitacional que se considera como el último estadio del ciclo vital de las estrellas masivas, y también está vinculada con diversos fenómenos astrofísicos. Se puede encontrar mayor información en las entradas sobre Agujeros negros y Estrellas.

Todos los cuerpos caen hacia la Tierra con la misma aceleración, independientemente de su masa

Uno de los descubrimientos más significativos de la física es que la masa gravitatoria de un cuerpo (que es lo que produce la fuerza gravitatoria entre dicho cuerpo y otros cuerpos) es igual a su masa inercial, la cual establece el movimiento del cuerpo en respuesta a cualquier fuerza que se le aplique.

La igualdad entre la masa gravitatoria y la masa inercial de un cuerpo, comprobada de manera precisa mediante experimentos (los cuales han demostrado que cualquier diferencia entre ambas masas sería menor a una parte en 1013), implica el principio de proporcionalidad: si un cuerpo tiene una masa gravitatoria que es el doble de la de otro, su masa inercial también será el doble.

El principio de proporcionalidad, en el cual la masa gravitatoria es igual a la masa inercial, proporciona una explicación a la observación de Galileo, realizada antes de la formulación de las leyes de Newton, de que todos los objetos caen con la misma aceleración independientemente de su masa. A pesar de que los objetos más pesados experimentan una fuerza gravitatoria mayor, su mayor masa inercial reduce su aceleración en una cantidad proporcional a la fuerza ejercida, resultando en que la aceleración total es la misma que en un objeto más ligero.

A pesar de la precisión con la que se ha confirmado la equivalencia entre las masas gravitacional e inercial, su verdadero significado no fue comprendido hasta que Albert Einstein presentó su teoría de la relatividad general. Einstein descubrió que esta equivalencia implicaba algo más: la igualdad entre un campo gravitatorio y un sistema de referencia acelerado.

Teoría gravitacional

A finales del siglo XVI y principios del XVII, Galileo Galilei inició los trabajos modernos sobre la teoría gravitacional. Aunque se desconoce si su experimento de dejar caer bolas desde la Torre de Pisa fue verdaderamente llevado a cabo, Galileo demostró posteriormente, mediante mediciones precisas de bolas rodando por un plano inclinado, que la aceleración gravitatoria es constante para todos los objetos. Esto contrastaba con la creencia de Aristóteles, quien afirmaba que los objetos más pesados caían con mayor aceleración gravitatoria. Además, Galileo propuso la resistencia del aire como la explicación para la caída más lenta de objetos con baja densidad y una gran superficie en una atmósfera.

El trabajo de Galileo proporcionó los fundamentos para la creación de la teoría de la gravedad de Newton. Galileo se basó en la idea, previamente desarrollada por los calculadores de Merton College y Domingo de Soto, de que el movimiento en caída libre de un objeto sin influencia significativa del aire sigue un patrón de aceleración uniforme. Galileo explicó que esta teoría ya había sido enseñada por los "doctores de París" a principios del siglo XVI.

En 1687, el matemático inglés Sir Isaac Newton presentó su obra Principia, en la que planteó la hipótesis de la ley de la gravitación universal inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Según sus propias palabras, llegó a la conclusión de que las fuerzas que mantienen a los planetas en sus órbitas deben ser proporcionales al cuadrado de sus distancias desde los centros alrededor de los cuales giran.

Para respaldar esta teoría, Newton comparó la fuerza necesaria para mantener a la Luna en su órbita con la fuerza de gravedad en la superficie de la Tierra y encontró que eran bastante similares. Aunque en 1645, Ismaël Bullialdus ya había argumentado que cualquier fuerza ejercida por el Sol sobre objetos distantes debería seguir una ley inversa al cuadrado, Bullialdus descartó la idea de que dicha fuerza existiera.

La fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro fuerzas de la naturaleza.

A pesar de ser la fuerza más débil, la gravedad es la fuerza dominante a gran escala debido a dos factores. En primer lugar, a diferencia de la fuerza electromagnética y la interacción nuclear fuerte, la gravedad siempre es atractiva y no hay cargas opuestas para neutralizar su efecto. En segundo lugar, la gravedad es una fuerza acumulativa: mientras más masa tenga un objeto, más fuerte será su campo gravitatorio y, por lo tanto, su capacidad para atraer más masa. Esto lleva a la formación de objetos masivos como planetas, estrellas y galaxias, cuyas masas atraen más materia a través de la gravedad y producen fenómenos observables en el Universo.

1. Solo hay un tipo de masa en el universo, lo que significa que solo hay un tipo de fuerza gravitatoria que siempre atrae. En objetos compuestos de innumerables partículas elementales como la Tierra, las fuerzas gravitatorias de cada partícula se suman, lo que resulta en una fuerza total extremadamente grande.

2. Las fuerzas gravitacionales son efectivas a cualquier distancia, aunque disminuyen en intensidad conforme aumenta la distancia entre los cuerpos, en función del cuadrado de dicha separación.

En contraste, las fuerzas electromagnéticas y electrostáticas, que son generadas por las cargas eléctricas de las partículas elementales, tienen la particularidad de que estas cargas pueden ser positivas o negativas, lo que provoca que las cargas del mismo signo se repelen y las de signos opuestos se atraen. En cuerpos con muchas partículas, las cargas eléctricas se cancelan mutuamente, lo que hace que la fuerza eléctrica no sea relevante a escalas macroscópicas. Por otro lado, las interacciones nucleares fuerte y débil tienen un alcance muy limitado y sólo son significativas a distancias muy cortas, del orden de una billonésima de centímetro.

La fuerza gravitatoria es una fuerza increíblemente débil en comparación con otras fuerzas en la naturaleza, lo que significa que para que un cuerpo ejerza una influencia apreciable sobre otro, su masa debe ser extremadamente grande. A pesar de esto, la ley de la gravitación universal fue deducida por primera vez por la observación del movimiento planetario mucho antes de que se pudiera comprobar experimentalmente. No fue hasta 1771 que el físico y químico británico Henry Cavendish pudo confirmar la ley mediante el uso de grandes esferas de plomo para atraer pequeñas masas unidas a un péndulo de torsión. Además de confirmar la ley, Cavendish pudo deducir la masa y la densidad de la Tierra a partir de sus mediciones.

Durante los dos siglos siguientes a Newton, se realizaron numerosos avances en el análisis, reformulación y aplicación de la mecánica a sistemas complejos. Sin embargo, no se presentaron nuevas ideas físicas fundamentales en este campo. El matemático suizo Leonhard Euler contribuyó al desarrollo de la mecánica al formular las ecuaciones del movimiento para sólidos rígidos, lo cual representó un avance significativo en comparación con la aproximación de Newton que consideraba masas concentradas en un punto.

La segunda ley de Newton fue desarrollada por diferentes físicos matemáticos, como Joseph Louis Lagrange y William Hamilton, quienes ampliaron su formulación a partir de la teoría newtoniana. En ese mismo período, otros científicos como Euler, Daniel Bernoulli y otros más, trabajaron en la expansión de la mecánica newtoniana y establecieron los fundamentos de la mecánica de fluidos.