jueves, 7 de diciembre de 2017

¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra?



¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra? Una pregunta que, en principio, puede parecer ingenua. Una pregunta “infantil”, y es que... ¿acaso no te lo has preguntado en tu niñez? Una pregunta, que como muchas de las preguntas ingenuas, esconde mucho más de lo que parece. En esta entrada le daremos respuesta y descubriremos que tiene un poco de trampa… Pero vayamos por partes. 



Seguro que sabes lo que es la acción de la gravedad. Todos la sentimos en nosotros mismos (nuestro peso) y vemos su efecto todos los objetos, en todo lo que nos rodea. Sabes muy bien lo que pasa si sostienes en tu mano un objeto a cualquier altura y lo sueltas. Sin embargo, puedes observar como la Luna cada noche permanece ahí, como "sostenida mágicamente” en el espacio, como si alguna fuerza o especie de "ente" la sostuviese ahí para que todos pudiésemos contemplar su belleza. ¿Por qué no cae sobre la tierra?

Una pregunta similar pudo hacerse Isaac Newton en el siglo XVII.  Con permiso de Einstein, podemos decir que Newton es el científico más grande de todos los tiempos. Estableció las bases de la mecánica clásica, fuerzas, movimiento, la ley de la gravitación universal, desarrolló trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica, desarrolló el cálculo matemático, la mecánica de fluidos... ¿Alguien da más?

Pues bien,  Newton postuló en su Ley de la Gravitación Universal, que dos cuerpos se atraen entre sí mediante una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Es decir, que cuanto más masivos, más "gordos", son los objetos y más cerca se encuentran, mayor es la atracción entre ellos. La expresión es la siguiente:´

Ley de la Gravitación Universal de Newton. F es la Fuerza de la Gravedad, G una constante (constante gravitatoria), m1 y m2 las masas de los dos cuerpos y r la distancia entre ellos.

De esta manera, en este momento y continuamente, estás siendo atraído por la Tierra con una fuerza con un valor dado según la expresión de la ley. De esta manera, según podemos deducir de la ley, esa fuerza será menor conforme te encuentres a una mayor altitud, ya que la distancia (r) es mayor. Así es que ya sabes, una buena forma de adelgazar puede ser subir a algún pico de gran altitud ;-) 

Pues bien, al igual que te ocurre a ti, la Luna también se siente atraída por la Tierra. Volvemos a la pregunta título de la entrada, pero entonces ¿Por qué no cae ésta sobre la Tierra? Bueno, la verdad es que, la Luna no deja de caer sobre la Tierra. ¿Cómo? ¿Qué cae continuamente sobre la Tierra? Pero entonces ¿por qué no ha colisionado con la Tierra? Esta última es la pregunta a la que vamos a dar respuesta, ya que como has visto, la primera pregunta tenía trampa. Para buscar la respuesta realizaremos un experimento mental, con la inestimable ayuda de nuestro superhéroe favorito: Superman. Superman siempre está dispuesto a echar una mano.

El experimento es el siguiente: Superman deberá ir haciendo diferentes saltos cada vez cogiendo un mayor impulso inicial, de tal manera que justo después del salto no deberá utilizar sus superpoderes para volar ni hacer nada, simplemente dejará el “cuerpo muerto” a merced de las leyes de universo.



En los primeros saltos, tal y como todos deberíamos esperar, cae a una cierta distancia de donde realiza el salto. ¿Por qué? Bueno, Superman es Superman, pero por muchos poderes que tenga a él también le afecta la acción de la gravedad terrestre. 



Conforme va repitiendo el experimento con mayor impulso inicial, Superman irá cayendo a una mayor distancia en la Tierra... hasta que llega un punto en el ya no colisiona con la tierra!! (y recuerda: no puede utilizar sus poderes para mantenerse ahí). ¿Quiere decir esto que ya no está cayendo? Ni mucho menos, la acción de gravedad sigue ahí, Superman no deja de caer hacia la tierra. ¿Qué es lo que ocurre entonces? Bueno,  si la Tierra fuese plana e infinita, tarde o temprano acabaría cayendo, más tarde o más temprano dependiendo del impulso inicial. La clave está en la forma de Tierra: Superman no para de caer pero debido a la curvatura de la Tierra se va manteniendo a la misma altura. Superman no para de caer, pero la trayectoria que va describiendo tiene la misma curvatura que la de la Tierra. ¡Hemos puesto en órbita a Superman!

Pues esto es precisamente lo que le pasa con la Luna. Ésta no para de caer, pero debido a la esfericidad de la Tierra, se mantiene en órbita alrededor de ella. Y no solo la Luna, por supuesto, sino a todos los objetos en órbita. Los planetas alrededor del sol, los satélites artificiales, la estación espacial internacional, incluidos por supuesto también los astronautas de la misma.


Ahí los ves, tan felices “flotando”. Felices supongo que estarán, pero ya sabes que flotando desde luego no. Y es que no paran de caer hacia la Tierra, tal como no paraba de caer en nuestro experimento Superman. De esta manera los astronautas en la estación internacional no es que se encuentren en ingravidez, no es que no se sientan atraídos hacia la Tierra, no dejan de caer hacia la Tierra, es el principio de equivalencia. Si no sintieses la fricción del aire contra tu cuerpo, lo que experimentarías en un salto de caída libre es exactamente lo que experimentan los astronautas en la estación internacional. Los astronautas no paran de caer, pero debido a la capacidad de adaptación de nuestro cuerpo, al tiempo dejan de sentir esa sensación de caída libre.

La próxima vez que veas la Luna una noche, recuerda que ésta no para de caer hacia la Tierra. Ahora bien, ya sabes que puedes estar tranquilo, pues por mucho que esté en caída libre no hay peligro de colisión con nuestro hogar.

Ya sabemos la respuesta a la pregunta que da título a la entrada. Pero profundicemos un poco más en algunas cuestiones.

Imagina que colocamos, que hacemos aparecer por arte de magia, en un instante  dado, un satélite como la Luna a una cierta distancia de la Tierra. Que lo hacemos aparecer de la nada y lo colocamos ahí, inmóvil respecto de la Tierra. ¿Qué ocurriría entonces? Pues en este caso la colisión sería inevitable... Pasaría lo mismo que pasa cuando dejas caer, por ejemplo, una pelota desde lo alto de un edificio.

¿Pero entonces que pasa con todo lo que hemos hablado hasta ahora? Hay un detalle fundamental que diferencia esta situación de las otras. Y es que tanto la Luna, como los satélites artificiales, como la estación internacional, tienen un componente de velocidad tangencial a la trayectoria circular que hace que se mantenga la órbita.  



Así, la combinación de estas dos componentes (velocidad tangencial y gravedad), es lo que mantiene la órbita alrededor de la Tierra. Si quitásemos la componente "velocidad tangencial", la Luna caería sobre la Tierra, y si pudiésemos hacer desaparecer la componente de la gravedad, la Luna saldría disparada en la dirección y sentido indicado por la velocidad tangencial.

Es lo que hemos visto en nuestro experimento con Superman. La velocidad tangencial de los satélites artificiales proviene del impulso inicial (de igual manera que el de Superman en nuestro experimento). De esta manera, si ese impulso inicial fuese demasiado grande, si la velocidad inicial fuese muy grande, podríamos hacer que el objeto escapase de la acción de la gravedad terrestre, iniciando un viaje por el sistema solar. A ese valor límite de la velocidad a partir del cual un objeto es capaz de escapar de la acción de la gravedad terrestre se denomina velocidad de escape.



Vale, ¿y la Luna o los planetas girando alrededor del sol? ¿Quién les dio ese impulso inicial? En este caso piensa que los planetas, satélites, etc. no aparecieron de repente de la nada, ya tenían diferentes velocidades relativas entre ellos. Estos objetos se fueron formando a partir del material que giraba ya alrededor del sol y que se fue acumulando hasta la formación de los diferentes planetas, lunas, etc.

De esta manera, la increíble y incesante danza cósmica de los planetas alrededor de una estrella, de asteroides, de satélites, de sistemas estelares y el centro de las galaxias a los que pertenecen, de galaxias entre sí, de cúmulos de galaxias, etc. en definitiva de todos  cuerpos celestes del Universo, se ve gobernada por la increíble acción de la gravedad.



13 comentarios:

  1. Continua,por favor. Eres un buen divulgador.

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  2. Hola! Comento en este post por ser el último, pero hablo en general. Llevo días inmerso en la lectura de las entradas de este blog. He dejado mi libro actual porque cada entrada me parece mas interesante que la anterior.
    Después de buscar información sobre la relatividad (con muchos resultados de google pero pocos que realmente me aclarasen algo) di, por casualidad, y desde un enlace de otro blog, con este sitio.
    Mi más sincera enhorabuena por este increíble blog, que explica con absoluta claridad, temas que hasta ahora para mí eran indescifrables.
    Soy un terrenal ingeniero industrial (Sheldon Cooper ni se rebajaría a mirarme) pero la física, mi vocación frustrada, me fascina. Y aunque no pueda llegar a entender sus entresijos, nada me impide leer todo lo que caiga en mis manos (y esté a mi alcance, lógicamente) y seguir aprendiendo, siempre aprendiendo.
    De hecho, acabo de ver que hay un resumen de los post a modo de libro, así que cuando acabe con "Iluminando el lado oscuro del Universo" de Roberto Emparán (libro que recomiendo a todos los amantes de las ondas gravitatorias)seguiré con "No busques fantasías", de Francisco Chico.
    Llevo tiempo pensando en crear un blog de física para principiantes (lo cual se me ha caído un poco después de descubrir tu blog, Francisco ;) pero no puedo sino agradecerte que compartas tu conocimiento con el mundo, en una forma tan sencilla y asequible.
    La física es compleja, pero explicarla con sencillez y claridad es un reto al alcance de muy pocos.
    Todo mi agradecimiento y admiración.

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  3. Te Ganaste otro comentario con la explicación de la "Velocidad Tangencial", vamos que eso no lo sabía. Muchas racias por tu trabajo!

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  4. Te Ganaste otro comentario con la explicación de la "Velocidad Tangencial", vamos que eso no lo sabía. Muchas racias por tu trabajo!

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  5. Muy buena explicación maestro! No comprendía que era lo que contrarrestaba la fuerza de gravedad. Era esa velocidad tangencial. Gracias !

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