Ley de gravitación universal o simplemente ley de la gravedad, es una de las leyes básicas de la física de la materia. Esta ley describe la naturaleza de la interacción entre diferentes cuerpos con masa y, por lo tanto, con campos gravitatorios.
El principio básico de la Ley de Gravitación indica que, la fuerza gravitatoria de la masa se concentra en el núcleo de cada cuerpo, de manera que la dinámica actúa como si toda la masa del cuerpo estuviera reunida en su eje únicamente.
Así, La Ley de la gravedad anuncia que el grado de fuerza ejercida mutuamente entre dos cuerpos con masa y separados entre sí por un trayecto de espacio es conforme a la suma de sus masas y recíprocamente equivalente al cuadrado del trayecto.
Lo que se traduce en que: mientras más grandes sean los cuerpos de masa y más cerca se encuentren entre sí, mayor será la fuerza con la que se atraerán.
Esta deducción permitió, a teóricos de la astrofísica, cientos de años después comenzar a comprender mejor el comportamiento de los sistemas solares, a pesar de que la Fórmula de cálculo para la gravedad no es válida para calcular la fuerza gravitatoria de objetos masivos.
¿Quién descubrió la Ley de la Gravitación Universal?
La Ley de la Gravedad fue planteada por Isaac Newton en el año 1687, luego del famoso episodio de la manzana que cayó sobre su cabeza (diferentes versiones históricas desmienten este hecho), lo que le llevó a iniciar un estudio empírico, basado en la observación del comportamiento de atracción de los cuerpos entre sí y culminó en una de las teorías de la dinámica más importantes de la física.
Su primer cuestionamiento fue: ¿Por qué la manzana es siempre atraída de forma perpendicular desde el punto de caída hacia la tierra?
Las conclusiones y cálculos derivados del estudio de la ley de gravedad de Newton, marcaron un hito en las posteriores tesis de la física, ya que explicaba con amplitud, la dinámica de interacción entre los cuerpos a diferentes escalas.
Más adelante, la Ley de la Relatividad General de Einstein (Lee nuestro artículo sobre la Relatividad General), probaría que la fórmula de Newton para calcular la gravedad entre dos cuerpos solo es aplicable hasta cierto volumen de masas, más allá, es necesario basarse en la Ley de Relatividad.
Implicaciones de la Ley de Gravitación Universal de Newton
Velocidad de la gravedad
La velocidad o rapidez de la gravedad es uno de los aspectos englobados para sostener la Ley de la Gravitación Universal.
Este concepto se refiere a la rapidez con la que se propaga el espectro de radiación gravitacional a partir de un cuerpo con masa, es decir, qué tan veloz se expide el campo gravitacional desde el eje de un cuerpo hacía el exterior.
La hipótesis de Newton sobre los campos gravitatorios de los cuerpos, implica que estos deben responder de manera inmediata a los campos gravitatorios de otras masas a su alcance, sin disminuir o acelerar de acuerdo a la distancia de ambos cuerpos entre sí.
Es decir, Newton creía que cuando un objeto cambiaba la distribución de su masa, su cambio gravitatorio debería ajustarse de manera inmediata de acuerdo a su nuevo tamaño. Lamentablemente jamás pudo adaptar estos cálculos a la ecuación de su teoría.
Casi 3 siglos más tarde, los estudios astronómicos demostraron una falencia en la teoría Newtoniana sobre los campos gravitatorios al probar, mediante observaciones que existe un tiempo de propagación para los efectos de las ondas gravitatorias con respecto al entorno.
Aceleración de la gravedad en referencia a la distancia del eje
Si tomamos en cuenta el principio de la ley de gravedad que nos dice que la fuerza gravitatoria de un cuerpo se ubica en su eje y es proyectado en ondas hacia el exterior (Velocidad de la gravedad), entonces entendemos que, mayor distancia del eje, menor fuerza de atracción ejerce el campo gravitatorio.
De acuerdo a esta ecuación, a cuanta mayor altura se encuentren los cuerpos en relación al centro del planeta, menor será fuerza de atracción ejercida. Para ello se toma en cuenta la altura del objeto en referencia al nivel del mar y la longitud del radio medio de la tierra en el punto de medición.
Ventaja del cuerpo con mayor masa
Al identificar que la intensidad de la fuerza gravitatoria depende siempre de la densidad de masa de un objeto, entendemos que cuando dos cuerpos de densidad desigual interactúan entre sí, el que posea un campo gravitatorio más fuerte, actuará sobre el más débil.
En este sentido se puede explicar el principio de interacción de los planetas, asteroides y cuerpos celestes en la dinámica cósmica, es decir, entendemos por qué los sistemas solares se comportan de la manera en que lo hacen.
Al tomar como ejemplo la interacción de los campos gravitatorios de La Tierra y nuestro Sol (que es aproximadamente 300.000 veces más denso), entendemos porque es el planeta es el que gira torno a la estrella y no al revés. Igualmente se demuestra que la densidad de masa del planeta determina la fuerza con la que es atraída en torno al sol.
De modo que, este principio también describe que: aunque un cuerpo sea afectado por dos campos gravitatorios de manera simultánea, siempre será atraído por el campo gravitatorio del objeto más denso.
La dinámica de la gravedad y los campos gravitatorios la podemos entender muy claramente cuando estudiamos la forma en que se comportan los planetas que giran en torno al sol.
Movimiento de los astros del sistema solar
Para entender las normas que rigen la interacción de nuestro sistema solar -y el cosmos en general- es necesario tener en consideración los principios de acción de los campos gravitatorios de los cuerpos celestes, planteada en el libro de Newton.
A pesar de que La Ley de Gravitación Universal deja de ser válida a la hora de entender el comportamiento de la masa y la gravedad a escalas realmente masivas, si es ideal para explicar la manera en que está planteada la órbita de nuestro sistema solar en torno al cuerpo con mayor masa.
Por su parte La Tercera Ley de Kepler validó la teoría sobre la velocidad finita de los campos gravitatorios y su potencia en relación a la distancia desde el eje del cuerpo, al demostrar que los planetas no giran de forma uniforme y circular en torno al eje gravitacional del sistema solar (El Sol).
Estos se desplazan de manera más “errática”, describiendo trayectorias elípticas, que aceleran o desaceleran en relación a su cercanía con el eje del campo gravitatorio que las afecta.
Así, se explica porque no todos los planetas giran al mismo ritmo en torno al sol. Por ejemplo, mercurio solo tarda 88 días en dar la vuelta al sol, aproximadamente una cuarta parte de lo que tarda nuestro planeta.
Esto ocurre por dos motivos esenciales. En primer lugar, Mercurio está mucho más cerca del Sol que la tierra, por lo que la fuerza ejercida por su campo gravitacional es mucho más intensa, haciendo que se desplace más rápido en torno a él.
El otro motivo es la densidad del planeta que, al ser mucho más pequeño que la tierra, existe menos reciprocidad en la acción de ambos campos gravitatorios, ejerciendo una fuerza mucho mayor la gravedad del sol.
Modelo de recorrido centrípeto
La aplicación de la fuerza gravitatoria de un cuerpo de masa más densa sobre un cuerpo de masa menos densa crea un campo de recorrido centrípeto, es decir, hace que el cuerpo influido por su campo gravitatorio orbite de manera circular -pero irregular – en torno al propio eje de acción de la fuerza.
Esto ocurre cuando la distancia y acción de la fuerza gravitatoria de ambos cuerpos se influyen mutuamente para crear una órbita “estable”. En caso de que la fuerza gravitatoria de uno de los cuerpos aumenta al aumentar la densidad de su materia, el efecto sobre los cuerpo circundantes cambiaría, anulando las órbitas y atrayendo los cuerpos hacia su eje.
Un ejemplo claro de este caso lo podemos ver en el estudio de los agujeros negros, que son puntos de materia híper densa, cuyo campo gravitatorio es tan poderoso que absorbe toda la materia circundante, incluida la luz y el tiempo.