Gravitación La Fuerza de Gravedad

Gravitación
8vo Básico > Ciencias Naturales
Gravitación
La Fuerza de Gravedad
Imagina que vas a lanzar una pelota, intentando que llegue lejos, pero sin
usar toda tu fuerza. Tomas la pelota, y con tu mano le das cierta velocidad. La
pelota se alejará, pero alcanzará cierta altura máxima y comenzará a caer. Ahora
repites el lanzamiento, pero esta vez le das una velocidad mayor a la pelota,
logrando que alcance una mayor altura, y al mismo tiempo una mayor distancia. Si
dispusieras de un cañón que te permita lanzar la pelota tan rápido como quieras,
podrías lograr que llegase aún más lejos. Pero, ¿Qué tan lejos?
Como estamos sobre la Tierra, cuya superficie es curva, podríamos intentar que la
pelota dé una vuelta completa al planeta y regrese al punto de partida. ¿Crees que
tal lanzamiento sea posible?
Galileo Galilei
(1564 – 1642)
demostró que todos
los objetos caen con
la misma
aceleración, y que
ésta es
independiente de la
masa del objeto.
Escribe aquí tu respuesta
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Gravitación
Red Conceptual
GRAVITACION
Fuerza de gravedad
Depende de:
Características:
1. Atractiva
2. A distancia
1. Distancias entre
los cuerpos
2. Masas de los
cuerpos
Produce:
1. Peso de los
cuerpos
2. Órbitas de
planetas y
satélites.
¿Qué aprenderemos?
Esta guía tiene como objetivo sintetizar las ideas y conceptos principales relacionados
con la gravedad.
Todo lo que sube tiene que bajar
Todos sabemos que al lanzar un objeto al aire, éste cae al suelo. Y en algún momento
aprendimos que esto ocurre debido a la fuerza de gravedad. Este hecho no es
novedoso, y los antiguos griegos ya discutían acerca de la naturaleza de esta fuerza
misteriosa. Sin embargo, tuvieron que pasar varios siglos antes de que Galileo Galilei
demostrara que todos los objetos que caen bajo la acción de la gravedad, lo hacen
con la misma aceleración, y que esta aceleración es independiente de la masa del
Isaac Newton
(1642 – 1747) fue objeto que cae.
el primer
Sin embargo, cabe preguntarse, ¿Por qué caen los objetos? La respuesta obvia sería:
científico en
Porque existe una fuerza que los hace caer. Entonces uno se puede plantear una
proponer un
segunda pregunta: ¿Esta fuerza empuja o atrae los objetos? Esta vez, la respuesta es
modelo
matemático que que la fuerza atrae los objetos. En otras palabras estamos diciendo que la fuerza de
describe la
gravedad es atractiva. Atrae los objetos hacia la Tierra. Además, para que ocurra esta
atracción
atracción no es necesario que los cuerpos estén en contacto con la Tierra. Es decir, la
gravitacional
gravedad es una fuerza a distancia.
entre los cuerpos.
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Gravitación
El origen de la gravedad
Pensemos en el hecho que la Tierra es redonda. Notemos ahora que en cualquier lugar sobre la
superficie de ella la fuerza de gravedad apunta hacia abajo. Entonces es fácil darse cuenta de que cualquier
objeto sobre la superficie de la tierra, o cerca de ella, siente una fuerza que apunta hacia el centro del
planeta. Esto es muy importante, pues evita que las personar, los animales, y en general todos los objetos,
estemos flotando alrededor de la tierra. En lugar de eso, podemos permanecer parados en nuestro sitio,
caminar, correr y saltar.
Sabemos entonces que la fuerza de gravedad que actúa sobre los objetos que se encuentran cerca
de la Tierra apunta hacia el centro de ésta, y provoca que estos objetos tengan la misma aceleración. ¿Qué
nos dice esto?
La aceleración de los objetos es proporcional a la fuerza, pero inversamente proporcional a la masa.
Esto es, a mayor fuerza aplicada sobre un objeto, mayor aceleración, pero si aplicamos la misma fuerza a
dos objetos diferentes, el de mayor masa adquiere menor aceleración. Como en este caso la aceleración es
independiente de la masa, debe ocurrir que, al aumentar la masa, la fuerza aumente en la misma
proporción, es decir, la fuerza de gravedad que actúa sobre un objeto es directamente proporcional a la
masa de ese objeto.
Por otro lado existe una ley, La Tercera Ley de Newton, para ser precisos, llamada La Ley de la
Acción y Reacción, que dice que cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce una segunda
fuerza sobre el primero, de igual magnitud pero en sentido opuesto a la primera fuerza. En el caso de la
fuerza de gravedad, esto significa que, si la tierra atrae a un objeto con una fuerza que llamamos fuerza de
gravedad, también el objeto atraerá a la tierra con una fuerza igual, pero en sentido opuesto.
¿Por qué entonces la
Tierra no se ve
afectada
por
los
objetos
en
su
cercanía?
Simplemente, porque
la Tierra posee tanta
masa, que la fuerza
de estos objetos no
tiene ningún efecto
visible
sobre
el
planeta.
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Gravitación
Fuerza de gravedad o fuerza peso
Cuando vamos al médico, éste nos “pesa” en una balanza. Y nos dice algo así
como “55 kilogramos”. Nosotros sabemos que “kilogramos” es una unidad de masa.
También sabemos que la balanza es un instrumento que permite medir masa.
Entonces, ¿El médico nos indica nuestro peso, o nuestra masa?
Lo mismo ocurre cuando compramos pan, fruta, detergente, o cuando
queremos saber cuál modelo de bicicleta es más liviana. Preguntamos por “peso”
cuando en realidad deberíamos preguntar por “masa”. Entonces, ¿Qué es el peso?
El peso está íntimamente relacionado con la masa, sin embargo son conceptos
diferentes. La masa está definida como la cantidad de materia que posee un cuerpo. Se
mide con un instrumento llamado balanza y en unidades de kilogramos. Para indicar la
masa de objetos livianos se utiliza el gramo: 1000 gramos equivalen a un kilogramo.
Para objetos muy pesados se utiliza la tonelada: 1000 kilogramos corresponden a una
tonelada.
Por otro lado el peso es la fuerza originada por la gravedad al actuar sobre la
masa de un cuerpo. Es decir, el peso es la fuerza de gravedad actuando sobre un
objeto en particular.
El peso, al ser una fuerza, no se mide en kilogramos, sino que en Newtons (se
abrevia con la letra “N”), y para tal efecto se utiliza un instrumento llamado
dinamómetro. La relación entre peso y masa, cerca de la superficie de la tierra, viene
dada por la siguiente fórmula:
Peso [N] = masa [kg] x aceleración de gravedad [N/kg]
Por supuesto, los objetos que tienen mayor masa, serán más fuertemente
atraídos hacia la tierra. Por eso debemos ejercer una fuerza mayor para levantarlos o
sostenerlos. No importa en qué lugar del universo nos encontremos o con qué
velocidad y aceleración nos movamos, nuestra masa será siempre la misma. En cambio
el peso es la fuerza de la gravedad actuando sobre nuestra masa. ¿Será siempre igual?
El dinamómetro
funciona
mediante
un
resorte interior.
El estiramiento
La aceleración de gravedad es constante cerca de la superficie de la Tierra. Pero
de
éste
es
en la superficie de la Luna es diferente. El peso de un astronauta, por lo tanto, será
proporcional a la
diferente en la superficie de la Luna que en la superficie de la Tierra.
fuerza aplicada.
Para medir con él
basta colgar el
objeto que se
La balanza es un instrumento que se utiliza para
desea pesar y
medir la masa de los objetos. Esto se logra al
leer la escala.
comparar la masa del objeto con otras masas que
sirven de patrón de medida.
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Gravitación
Atracción gravitacional
La fuerza de gravedad produce el peso, y también la aceleración gravitacional, que es la que se
produce cuando los objetos “caen” al suelo. Los objetos cerca de la superficie de la Tierra, caen. Pero, ¿Qué
pasa a medida que nos alejamos de ella? ¿Por qué la Luna, por ejemplo, no se cae?
En realidad la pregunta es: La Luna ¿Cae hacia la Tierra?
Isaac Newton comprobó que la fuerza que atrae a los cuerpos hacia la Tierra, es la misma que hace
que la Luna orbite alrededor de la Tierra. Para esto enunció la ley de la Gravitación Universal (1687), que
explica el movimiento de los cuerpos en el universo, entre ellos, las órbitas de planetas y satélites.
Esta ley establece que todos los cuerpos que poseen masa se atraen mutuamente, con una fuerza
que es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional a la distancia
que los separa elevada al cuadrado. O sea, la fuerza con que dos cuerpos se atraen aumenta al aumentar las
masas de ellos, pero disminuye al alejarlos.
La forma matemática de la ley es la siguiente:
En esta fórmula, F representa la fuerza de atracción, m1 y
m2 son las masas de los cuerpos, y d es la distancia que los
separa. G es una constante de proporcionalidad, llamada
constante de gravitación universal. Tiene un valor que no cambia,
es el mismo en todo el universo, y tiene un valor muy pequeño.
Entonces, si alejamos dos cuerpos, la fuerza gravitacional entre ellos disminuye. Por lo tanto, al
alejarnos de la Tierra, la atracción que ésta ejerce sobre los objetos disminuye. Por otro lado, si nos
alejamos lo suficiente como para acercarnos a otro planeta, nos afectará la gravedad de ese planeta.
Además, como la atracción depende directamente de la masa de los cuerpos, la magnitud de la
fuerza con que la tierra atrae a un astronauta, por ejemplo, no es la misma con que atrae a la Luna. Y al
mismo tiempo, la magnitud de la fuerza con que la Luna atrae al astronauta no será la misma con que éste
es atraído por la Tierra. Al ser menor la masa de la Luna, la atracción gravitacional de ésta será también
menor que la de la Tierra.
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Gravitación
Según la ley de la gravitación universal (y
también según la ley de acción y reacción), la
Luna ejerce una fuerza sobre la Tierra igual a la
que ésta ejerce sobre la primera.
El efecto más notable de esta fuerza son las
mareas. Debido a una mayor fuerza de atracción
en los puntos de la tierra que son más cercanos a
nuestro satélite, el agua de los océanos se tiende
a acumular en esos puntos, provocando las
mareas.
SI la tierra atrae a la Luna, ¿Por qué esta no cae? En realidad la Luna está en una “caída constante”, llamada
órbita, alrededor de la Tierra. Es decir, la órbita de la Luna es efecto de la atracción gravitacional. También
los planetas son atraídos por el Sol. Caen constantemente hacia él.
Las órbitas de los planetas son producto de la gravedad
Así como el hecho de que los objetos caigan hacia la Tierra es un efecto de la gravedad, más
precisamente de la atracción gravitacional de ésta sobre los objetos que están en su entorno inmediato,
también las órbitas de los satélites, en torno a los planetas y las de éstos alrededor del Sol son efecto de
esta atracción.
Las órbitas de planetas y satélites tienen las mismas características, pues son producto del mismo
fenómeno. Estas características están resumidas en las Leyes de Kepler del movimiento planetario. Estas
leyes son consecuencia directa de la ley de Newton de la gravitación universal, y son:
1. Los planetas se desplazan alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas, con el Sol ubicado en uno
de los focos de la elipse.
2. El radio que une el Sol con un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.
3. El período orbital (tiempo que demora en completar una vuelta completa alrededor del Sol) de
un planeta, elevado al cuadrado, es proporcional a la longitud del semieje mayor de la órbita,
elevada al cubo. Matemáticamente:
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Gravitación
Producto de la primera ley encontramos que las
órbitas tienen un punto en que el planeta está más
cercano al Sol, denominado perihelio, y un punto más
lejano, llamado afelio. De la segunda ley se puede
concluir que la velocidad orbital de los planetas es
mayor en el afelio y menor en el perihelio. Para el caso
de los satélites de la Tierra, los puntos se llaman perigeo
y apogeo, respectivamente. Y de la tercera ley, se
deduce que mientras más alejado está un planeta del
Sol, mayor es su período orbital.
Las Leyes de Kepler se pueden deducir completamente a partir de las leyes de Newton, por lo que se
dice que son consecuencia de éstas. También se puede interpretar como que las leyes de Kepler son una
aplicación de las de Newton.
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Gravitación
Organizador gráfico de síntesis
GRAVITACION
Produce la
Es una fuerza
Fuerza de gravedad
- Atractiva
Produce
Y que actúa
Depende de
- Distancias
entre los
cuerpos
- Masas de
los cuerpos
Según la
- A Distancia
-Peso
-Caída de los
objetos
Las órbitas
de planetas y
satélites
Ley de la
gravitación
universal de
Newton
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Gravitación
Actividades
Actividad Nº1
Contrasta
¿Te acuerdas de la pregunta de la primera página? Construye una nueva respuesta y compárala con tu
predicción inicial en el cuadro siguiente.
Actividad Nº2
Piensa
¿Cómo crees que sería posible cambiar la fuerza con que la Tierra atrae a la Luna?
Actividad Nº3
Aplica
Imagina que se lanza un cohete desde la Tierra hacia Marte. ¿Cómo crees que cambiaría la atracción
gravitacional de ambos planetas sobre el cohete a medida que éste se acerca hacia el planeta rojo?
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Gravitación
Actividad Nº4
Aplica
Hay un astronauta en la superficie de la Luna. Su peso, ¿Depende de la cara de la Luna en que se
encuentra?
Actividad Nº5
Explica
La masa de la Tierra es de 60 × 1023 kg. La masa de Saturno es de 5700 × 1023 kg. Sin embargo, la gravedad
en la superficie de ambos planetas es la misma. ¿Cómo puedes explicar este hecho?
Actividad Nº6
Calcula
La masa de la Luna es de 60 × 1023 kg, y su distancia a la Tierra es de 384.400 km. La constante de la
gravitación universal es G =
. ¿Cuánto vale la magnitud de la fuerza entre la Tierra y la
Luna?
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