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Durante años la gente sabía que cuando un objeto es lanzado directamente hacia arriba, cae de nuevo a la Tierra. La gente observó este fenómeno y podía predecir el efecto de esta fuerza, pero no tenía idea de cómo funcionaba.
Desde tiempos antiguos, ha habido numerosas teorías e intentos de explicar esta misteriosa fuerza llamada "gravedad". Durante los primeros días, los filósofos pensaron que la caída de objetos hacia la Tierra era parte del reino de los dioses y siguieron un movimiento natural. Por ejemplo, el aire pertenecía a los cielos, moviéndose hacia arriba, mientras que las rocas pertenecían a la Tierra, cayendo de vuelta a la Tierra.
"Tómate un momento para experimentar los efectos de la gravedad. Levanta el brazo y siente cómo te ves obligado a soltarlo de nuevo o usa una bola o manzana para vomitar directame
En el siglo IV, Aristóteles fue el primero en intentar una descripción cuantitativa de la gravedad. Escribió que un objeto cayó a una velocidad constante, alcanzado poco después de ser liberado, y las cosas más pesadas cayeron más rápido en proporción a su masa. Aunque esta idea estaba equivocada, se quedó atascada en la mente hasta el siglo XVI.
Galileo Galilei Explanation of Gravity
En el siglo XVII, un astrónomo italiano, Galileo Galilei, proporcionó la primera explicación científica de la gravedad mediante la realización de experimentos y desafió la idea de gravedad propuesta por Aristóteles.
A través de sus experimentos, Galileo se dio cuenta de que una caída del cuerpo recogía velocidad a un ritmo constante, en otras palabras, tenía una aceleración constante. También hizo la observación significativa de que, si se puede descuidar la resistencia al aire, todos los cuerpos caen con la misma aceleración, cuerpos de diferentes pesos caídos juntos llegan al suelo simultáneamente.
Se dice que Galileo ha dejado caer bolas de la misma forma. Sin embargo, diferente peso de la torre inclinada de Pisa para demostrar que los objetos cayeron con la misma aceleración, demostrando su predicción correcta mientras que al mismo tiempo refuta la teoría de la gravedad de Aristóteles (que afirma que los objetos caen a una velocidad proporcional a su masa).
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"Al final de la última caminata lunar del Apolo 15, el comandante David Scott (en la foto de abajo) realizó una demostración en vivo para las cámaras de televisión. Sostuvo un martillo geológico y una pluma y los dejó caer al mismo tiempo. Debido a que estaban esencialmente en el vacío, no había resistencia al aire, y la pluma cayó al mismo ritmo que el martillo, ya que Galileo había concluido cientos de años antes – todos los objetos liberados juntos caen al mismo ritmo independientemente de la masa. El controlador de la misión Joe Allen describió la demostración en el "Apollo 15 Preliminary Science Report":"
Galileo también realizó otro experimento para demostrar que la gravedad acelera los objetos a un ritmo constante a medida que caía. Sin embargo, hubo un problema en la prueba de esta hipótesis. Galileo no pudo observar verticalmente el movimiento de caída libre del objeto. En ese momento, la tecnología no podía registrar velocidades tan altas (falta de un reloj o un temporizador que pudiera medir la alta velocidad). Como resultado, Galileo intentó desacelerar el movimiento reemplazando el objeto que cae por una bola rodando por una rampa inclinada. Dado que la caída libre es equivalente a una rampa completamente vertical, asumió que una bola rodando por una rampa inclinada aceleraría de la misma manera que lo haría una bola que cae.
A través de este experimento, Galileo concluyó que si un objeto es liberado del descanso y gana velocidad a un ritmo constante, entonces la distancia total recorrida por el objeto es proporcional al tiempo cuadrado necesario para ese viaje. Por ejemplo, si un objeto liberado del reposo viaja durante dos segundos, viajará 2 x 2 o 4 veces más lejos que lo haría si viajara solo un segundo después de ser liberado del descanso.
El siguiente vídeo reproduce el experimento anterior realizado por Galileo.
Creo que tenemos una mejor comprensión de cómo las cosas se mueven bajo la influencia de la gravedad aquí en la Tierra. Pero, ¿cómo extendemos este entendimiento al movimiento de otros objetos fuera del planeta tierra? Por ejemplo, ¿cómo gira la Luna en torno a la Tierra? ¿Por qué la Tierra orbita alrededor del Sol? ¿Cómo se mueven las estrellas a través del universo?
Newton's explanation of gravity
En el siglo XVII, Sir Isaac Newton, un matemático y físico, dio una nueva descripción de la gravedad. Creía que vivimos en un mundo donde podemos predecir el movimiento de cualquier cosa. El trabajo de Newton sobre la gravedad es uno de los puntos críticos de inflexión en la física.
Cada vez que hablamos de Newton, lo primero que nos viene a la mente es Apple que cayó sobre la cabeza de Newton. Esta historia no es del todo correcta.
Un día Newton se sentó a pensar en su jardín cuando se dio cuenta de que una manzana cayó cerca. No fue solo que la manzana cayó lo hizo excitado, sino que trató de ir al centro de la Tierra (directamente hacia abajo) y no en ninguna otra dirección. Ese fue vital Moment Newton se dio cuenta de que la Tierra había atraído la manzana hacia ella. Entonces se dio cuenta de que cada objeto en el universo atrae a todos los demás objetos en proporción a su masa. Cuanto mayor sea la masa del objeto, su atracción gravitacional será mucho mayor. Extendió esta idea a la Tierra, dibujando a la Luna hacia su centro. A partir de los 20 años de este día, Newton tardó en publicar su trabajo sobre la gravedad. Mientras que una manzana podría no haber golpeado la cabeza de Sir Isaac Newton como sugiere el mito, la caída de uno inspiró a Newton a uno de los grandes descubrimientos.
La ley universal de gravitación de Newton establece que la fuerza (F) de atracción entre dos objetos es igual al producto de sus masas (m1 * m2), dividida por el cuadrado de la distancia entre ellos (r). Esta fórmula también indica que la distancia entre el objeto aumenta; la fuerza gravitacional se debilita. (Recuerde el cuadrado inverso de la distancia entre los objetos)
Podría surgir una pregunta por qué la Luna no está cayendo directamente a la Tierra como lo hizo la manzana.
Imagina disparar una bala de cañón horizontalmente desde la cima de una montaña como el Monte Everest en la Tierra. La pelota seguiría una trayectoria curva a medida que avanzaba y era atraída, por la gravedad, hacia el suelo al mismo tiempo. Dispara la bola de cañón con más energía, y aterrizaría más lejos de la montaña, pero seguiría una trayectoria curvada al hacerlo.
Newton propuso que si disparabas la bola de cañón con suficiente energía, podría volar alrededor de la Tierra y nunca aterrizar porque la Tierra se curvaría debajo de la pelota al mismo ritmo que la bola cayó. En otras palabras, la pelota ahora estaría en órbita alrededor de la Tierra.
Y esto es lo que sucede con la Luna – está en caída libre alrededor de la Tierra, pero se mueve lo suficientemente rápido para que la superficie de la Tierra nunca la "atrapa" del todo. El mismo principio se utiliza incluso hoy en día para lanzar satélites en órbita alrededor de la Tierra.
Newton's Mountain thought experiment simulation - 3D
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Problem with Newton's Gravity
El modelo de gravitación de Newton funcionó bastante bien para predecir el movimiento de la mayoría de los planetas, así como de los objetos en la Tierra. De hecho, la ley gravitacional de Newton fue utilizada para descubrir el planeta Neptuno. Pero hay un problema que la ley de gravedad de Newtown no pudo predecir ni explicar correctamente la órbita de Mercurio alrededor del Sol. La órbita del planeta cambió más rápido que el modelo derivado usando la ley de gravedad de Newton.
Otro problema en la teoría de Newton describe la gravedad como una fuerza instantánea de atracción entre dos objetos masivos. Si un objeto se aleja, el otro objeto conoce el movimiento inmediatamente debido al cambio en la gravitación, independientemente de su distancia.
Por ejemplo, la Tierra orbita alrededor del Sol, y la distancia entre ellos es de 91 millones de millas. Supongamos que, de repente, el Sol desaparece. De acuerdo con la Ley de gravedad de Newton, la Tierra sentirá instantáneamente el impacto de la desaparición del Sol y pierde su órbita, y se mueve en línea recta. Este comportamiento parece poco realista y no se explica bien usando la Ley de Gravitación de Newton.
Más importante aún, la ley de gravitación de Newton describe los efectos de la gravedad, pero no explicó cómo funcionaba la gravedad. Newton era muy consciente de esto y dijo:
La gravedad debe ser causada por un agente que actúa constantemente de acuerdo con ciertas leyes; pero ya sea que este agente sea material o inmaterial, me he dejado a consideración de mis lectores. "
Einstein's explanation of gravity - General Theory of Relativity
ante casi 200 años después de que se propusiera el trabajo de Netwon sobre la gravedad, no hubo avances para explicar la violación identificada en la Ley de Gravedad de Newton. En 1915, Albert Einstein, un físico nacido en Alemania redefine la gravedad proponiendo la teoría general de la relatividad. Según Einstein, la gravedad no es una fuerza como Newton describió; en cambio, una distorsión en el espacio-tiempo creada por objetos masivos. Esta distorsión se siente como gravedad.
Sé que es confuso. ¿Por qué la gravedad no es una fuerza? ¿Qué es el espacio-tiempo y qué significa la distorsión?
Tratemos de entender el espacio-tiempo. El espacio se define generalmente en tres dimensiones Longitud (Dimensión 1), Ancho (Dimensión 2) y Altura (Dimensión 3). Todo el trabajo realizado por Newton se refirió solo a las tres dimensiones del espacio, pero Einstein se le ocurrió una nueva idea de la 4a dimensión llamada tiempo.
¿Por qué Time? Supongamos que invitas a tu amigo a reunirse para tomar un café. ¿Qué sucede si mencionas el lugar perfecto para reunirte sin mencionar el tiempo o el tiempo para reunirte sin mencionar el lugar. En ambos escenarios, no se reunirá con su amigo, ya que no hay suficiente información a menos que diga tanto el lugar como la hora de reunirse. Según Einstein, el espacio sin tiempo no tiene sentido. No se puede describir el movimiento sin tiempo, por ejemplo, metro por segundo. Einstein define el espacio y el tiempo como un tejido entrelazado. (Véase a continuación el boceto)
Según Einstein, cuando un objeto grande se coloca en un tejido espacio-tiempo; el objeto distorsiona la tela, creando curvatura proporcional a su masa. Cualquier otro objeto que entre en la urdimbre espacio-tiempo de un objeto masivo experimentará el fenómeno de la gravedad. Por ejemplo, el Sol distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor, creando curvatura, y todos los demás planetas giran alrededor del Sol no debido a ninguna otra fuerza, sino solo por la curvatura a su alrededor.
Según Einstein, los objetos que se mueven alrededor de la curvatura todavía se mueven a lo largo de la línea más recta posible, pero debido a una distorsión en el espacio-tiempo, la línea más recta posible está ahora a lo largo de un camino esférico.
Por ejemplo, imagine una bola rodando a través del trampolín que simplemente seguirá la curva. Desde la perspectiva de la pelota, siempre viajaba en línea recta; es la deformación del espacio-tiempo lo que causa su desviación.
Además, los rayos de luz, al cruzar objetos masivos como el Sol, se doblan debido a la curvatura espacio-tiempo. Este fenómeno se denomina lente gravitacional. Este comportamiento se demostró correcto durante el eclipse solar, midiendo la flexión de la luz de las estrellas alrededor del Sol.