Fuerza de Gravedad

La fuerza de Atracción gravitacional hace que un objeto en caída libre sobre un cuerpo celeste se mueva, prescindiendo de eventuales resistencias atmosféricas, de modo acelerado, o sea, con un aumento constante de su velocidad por unidad de tiempo, y que se dirija hacia el centro del cuerpo celeste.

Fuerza de gravedad, descrita formalmente por Isaac Newton durante la segunda mitad del siglo XVII, es un fenómeno por el cual todos los objetos con una masa determinada se atraen entre ellos. Esta atracción depende de la masa del objeto en cuestión; mientras más masa, mayor será la fuerza de atracción.

Newton afirma que un cuerpo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme permanecerá en esa condición hasta que una fuerza externa los haga cambiar (primera ley). Este es el caso de los planetas. Los planetas están siendo atraídos constantemente por el Sol, de la misma manera que una manzana es atraída hacia el centro de la Tierra al ser desprendida de la rama de su árbol. Por lo tanto la fuerza de gravedad no es exclusiva para el planeta Tierra, todos los cuerpos la ejercen, pero depende de la masa de cada uno. Como el Sol posee una gran cantidad de masa, es capaz de mantener a todo el sistema solar en órbitas en torno a él.

¿Qué es lo que causa que los objetos se caigan sobre la tierra? ¿Por qué los planetas giran alrededor del sol? ¿Qué mantiene a las galaxias juntas? Si viajase a otro planeta, ¿por qué cambiaría su peso?

Todas estas preguntas están relacionadas a un aspecto de la física: la gravedad. A pesar de toda su influencia en nuestras vidas, de todo su control sobre el cosmos y de toda nuestra aptitud para describir y moldear sus efectos, no entendemos los mecanismos de la fuerza gravitacional. De las cuatro fuerzas fundamentales identificadas por los físicos - nuclear fuerte, eléctrica débil, eléctrica estática y de gravedad- la fuerza gravitacional es la menos comprendida. Hoy en día, los físicos aspiran llegar hacia la “Gran Teoría Unificada” , donde todas estas fuerzas estén unidas en un modelo físico que describa el comportamiento total en el universo. En este momento, la fuerza gravitacional es el problema, la fuerza que se resiste a la unión.

A pesar del misterio detrás de los mecanismos de la gravedad, los fisícos han podido describir bastante ampliamente el comportamiento de los objetos bajo la influencia de la gravedad. Isaac Newton, el científico inglés y matemático (entre otras cosas) de los siglos 17 y 18, fue la primera persona en proponer un modelo matemático que describe la atracción gravitacional entre los objetos. Albert Einstein se basó sobre este modelo en el siglo 20 y desarrolló una descripción más completa de la gravedad en su Teoría General de la Relatividad. En este módulo, exploraremos la descripción sobre la gravedad de Newton y algunas de las confirmaciones experimentales de su teoría, que llegaron muchos años después de que él propusiese su idea original.


La Manzana

FUERZA DE GRAVEDAD:

Independientemente de que Isaac Newton se haya sentado debajo de un manzano, mientras pensaba sobre la naturaleza de la gravedad, el hecho de que los objetos se caen a la superficie de la tierra, era bien sabido mucho antes del período de Newton. Todo el mundo ha experimentado la gravedad y sus efectos cerca de la tierra. Además, nuestra visión intuitiva del mundo incluye saber que todo lo que sube tiene que caer. Galileo Galilei (1564 – 1642) demostró que todos los objetos caen sobre la superficie de la tierra con la misma aceleración, y que esta aceleración es independiente de la masa del objeto que cae. Sin duda, Isaac Newton conocía este concepto, de ahí que, finalmente en el tiempo, formularía una teoría de la gravedad más amplia y extensa. La teoría de Newton incluiría no sólo el comportamiento de la manzana cerca de la superficie de la tierra, sino también el movimiento de cuerpos mucho más grandes, bastante alejados de la tierra.


La Ley de Gravedad Universal de Newton

La característica esencial de la Ley de Gravedad Universal de Newton es que la fuerza de la gravedad entre dos objetos, es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la distancia que los separa. Esta relación es conocida como la relación de la “raíz cuadrada invertida”. Newton derivó esta relación de la afirmación de Kepler de que los planetas se mueven en órbitas elípticas. Para entender esto, considere la luz que irradia desde la superficie del sol. Esta luz tiene alguna intensidad en la superficie del sol. A medida que la luz se aleja del sol, su intensidad disminuye. La intensidad de la luz a cualquier distancia del sol es igual a la fuerza de su fuente, dividida por el área de la superficie de la esfera que rodea el sol en ese radio.

A medida que la distancia del sol (r) se duplica, el área de la esfera alrededor del sol se cuadruplica. De esta manera, la intesidad de la luz del sol depende de manera invertida de la raíz cuadrada de la distancia del sol. Newton creía que la fuerza gravitacional radiaba igualmente en todas las direcciones del cuerpo central, tal como la luz solar en el ejemplo previo. Newton reconocía que este modelo gravitacional debía tomar la forma de una relación de raíz cuadrada invertida. Este modelo predice que las órbitas de objetos que rodean un cuerpo central son secciones cónicas. Muchos años de observaciones astrónomicas han sostenido esta tesis. A pesar de que esta idea es comúnmente atribuida a Isaac Newton, el matemático Inglés Robert Hooke argumentó que el inventó la idea de la relación de la raíz cuadrada invertida. Sin embargo, fue Newton el que finalmente publicó su teoría de la gravedad y se hizo famoso.

Fuerzas en movimiento

Fuerza y Movimiento



Características de la fuerza :

Al principio nos hablan de la sensación de un desplazamiento rápido,(moto, auto, salto en bungee, etc.). Este fenómeno de movimiento es provocado por un efecto invisible, que actúa sobre los cuerpos, llamado FUERZAS.


Como la fuerza es invisible, alguno de los efectos producidos por esta, también son invisibles.

¿Que es una fuerza? :




La fuerza es relacionada con acción que ejerce un cuerpo sobre otro,(locomotora que ejerce fuerza para mover sus vagones).

Los objetos son quienes poseen la capacidad de ejercer fuerzas a causa de algún tipo de interacción.

Equilibrio de fuerzas :

Alguna de las fuerzas, están siempre actuando sobre los cuerpos. Pero darse cuenta de su presencia no es siempre evidente. En ocasiones las fuerzas que interactúan sobre un cuerpo se contrarrestan entre si lo cual pede ser nombrado “las fuerzas se anulan mutuamente y el cuerpo se encuentra en equilibrio”.

Las fuerzas son vectores, lo cual dice si los vectores tienen la misma dirección pueden ser sumados directamente, y el resultado es otro vector.

Efectos de una fuerza :

Cuando las fuerzas actúan producen movimiento sobre algún cuerpo o sino lo contrario. Sobre cada cuerpo actúan muchas fuerzas a la vez, las cuales si las sumamos recibe el nombre de fuerza neta y estas equivale a la fuerza de todas las demás. Si la fuerza neta fuese cero, quiere decir que el cuerpo esta sin movimiento o a una velocidad constante. Y si no esta en cero , no esta en equilibrio y adquiere M.U.A.

Análisis de fuerzas :

Es principalmente lo mismo que la 1.3 .

2. F. y M. Primera ley de Newton :

Todo cuerpo en reposo que sea atacado por una fuerza experimenta un cambio. Newton se baso en la teoría de Galilei (sin roce los cuerpos no se detienen) para establecer su ley tan conocida La Ley de La Inercia, la cual dice, si un cuerpo que se encuentra en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme, tiende a estar en ese estado siempre que no sea afectado por algún tipo de fuerzas.

Fuerza, masa y aceleración: 2da ley de Newton :

Todos los objetos que experimentan movimiento, están continuamente variando su velocidad, adquieren aceleración.

El cambio de velocidad de un cuerpo es producido por un desequilibrio entre las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Esto establece que la aceleración sobre un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre el.

Mientras mayor es la masa de un cuerpo mayor es la dificultad para moverse, esto quiere decir que su inercia es mayor.

Las unidades que miden la fuerzas son: La masa [kg.], La aceleración [m/s2], por lo tanto la fuerza se expresa de esta forma: Kg % m/s2 (esta formula es llamada newton).

Un movimiento especial: caída libre :

Se denomina a la fuerza de atracción que ejerce la gravedad. Los cuerpos que caen a la tierra en forma de caída libre llevan un M.U.A. La velocidad máxima que alcanza el cuerpo en descenso es de 9.8 m/s2.

La fuerza de graverdad:




La atracción que ejerce un cuerpo celeste es llamada Fuerza de gravedad o peso, y esta varía según la masa del cuerpo celeste. Esta fuerza va en dirección al centro de la tierra.

La inercia en movimiento :

La inercia es un indicador de la masa del objeto, y cambia también con la velocidad.

La masa, inercia y velocidad están muy relacionadas, ya que la inercia de un objeto en movimiento depende de su masa y velocidad. El producto de estas dos magnitudes se le llama Cantidad de movimiento o Momentum.

El momentum es una magnitud vectorial, que se mantiene constante en una interacción cuando la fuerza externa es nula.

Fuerza de acción y reacción: 3ra ley de Newton :

Generalmente las fuerzas no se encuentran solas, sino que forman parte de un sistema de pares de fuerzas que actúan simultáneamente.

La tercera ley dice que si un objeto ejerce fuerza sobre otro, el segundo ejerce la misma fuerza hacia el primero, una fuerza de igual modulo en la misma dirección, pero en sentido contrario.

Los tipos de interacciones que existen entre las fuerzas son: gravitacionales, electromagnéticas, fuertes y débiles.

La fuerza de roce :

Mientras mas rugosa y áspera son las superficies de dos cuerpos que estén en contacto, es necesario aplicar una fuerza cada vez mayor para mover. Esto nos dice que existe una fuerza que se opone al movimiento de los cuerpos en contacto y recibe el nombre de roce, de rozamiento o fricción.

Roce por deslizacion :

Cuando un cuerpo se encuentra sobre una superficie, hay varias fuerzas actuando. Por un lado esta el peso del cuerpo. Otra es la fuerza normal, la cual es perpendicular a la superficie y de igual modulo que la fuerza peso del cuerpo, pero de sentido opuesto. La fuerza de roce por deslizamiento, la que es proporcional a la fuerza normal. También esta la fuerza de roce estático que consiste en si un objeto esta en reposo sobre una superficie horizontal, la fuerza de roce que se opone al comienzo.

Roce por Rodadura :

Esta fuerza es quien permite que el roce disminuya cuando se debe deslizar un objeto de gran peso. El porque de la disminución de roce, se debe a que este sistema pone en contacto con el suelo solamente el perímetro del cilindro.

Troque y Rotación :

Fuerza que permite que los cuerpos puedan girar o rotar en relación a un eje. Un ejemplo muy practico es el de la rueda y motor de un auto, consiste en que el motor produce un troque el cual es transferido al eje y este se encarga de transmitirlo a la rueda. Algunas veces los motores de vehículos son medidos por el troque, también así los destornilladores eléctricos. En el motor una fuerza contraria al troque es el freno el cual si actúan ambos a la vez el movimiento queda en cero.