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Ley de gravitación universal de Newton

Toda masa del universo atrae a todas las demás. La atracción entre dos masas puntuales m₁ y m₂ separadas una distancia r es F = G m₁ m₂ / r². Actúa a lo largo de la recta que une las dos masas. Los dos cuerpos se atraen con fuerzas iguales y de sentido contrario. G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻² vale lo mismo en todas partes, por eso se llama constante de gravitación universal. Cuando muchas masas atraen a un cuerpo, las fuerzas se suman como vectores (superposición).

🎬 Historia paso a paso

  1. Dos bolas, m₁ y m₂. Cada flecha roja es la atracción de la gravedad. m₁ atrae a m₂, y m₂ atrae a m₁ con la misma fuerza. Mismo tamaño, sentido contrario.
  2. Ahora m₁ se hace el doble. Mira las flechas: la fuerza también se duplica. La fuerza crece con cada masa.
  3. Ahora las bolas se separan. Cuando la distancia se duplica, las flechas se reducen a la cuarta parte. Esta es la regla del inverso del cuadrado, 1/r².
  4. Llega una tercera bola, m₃. También atrae a m₁. La flecha morada es la fuerza neta, que se obtiene sumando las dos atracciones como vectores.
  5. Un ejemplo resuelto. Dos niños de 50 kg están sentados a 1 m de distancia. Pulsa el botón para hallar su atracción, línea por línea.
  6. Ahora te toca a ti. Cambia m₁, m₂ y r. Mira cómo cambia F en la lectura.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

Si todo atrae a todo, ¿por qué mis libros no se deslizan uno hacia el otro?

La atracción entre libros es diminuta (unos 10⁻¹⁰ N). El rozamiento con la mesa es millones de veces mayor, así que nada se mueve.

¿Un cuerpo más pesado atrae con más fuerza de la que recibe?

No. Los dos sienten exactamente la misma fuerza, en sentidos opuestos. El cuerpo más pesado simplemente acelera menos.

¿Por qué el cuadrado de la distancia y no solo la distancia?

El efecto de una masa se reparte sobre una esfera a su alrededor. El área de una esfera crece como r², así que la atracción sobre cada trozo baja como 1/r². Mira el paso 3: duplica r y F se reduce a la cuarta parte.

Con tres masas, ¿puedo simplemente sumar los números?

Solo si todas las atracciones van en la misma recta. Si no, súmalas como vectores, como la flecha morada del paso 4.

¿Por qué usamos la distancia entre centros para los planetas?

Una esfera uniforme atrae a los objetos exteriores como si toda su masa estuviera en el centro. Por eso r = distancia de centro a centro.

La ley en palabras sencillas

Newton se dio cuenta de que la fuerza que tira de una manzana hacia abajo y la fuerza que mantiene a la Luna en su órbita son del mismo tipo. Dijo:

Toda partícula de materia atrae a cualquier otra partícula con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

F = G m₁ m₂ / r²

En forma vectorial, la fuerza sobre m₂ debida a m₁ es F₂₁ = −G m₁ m₂ r̂₁₂ / r². El signo menos indica que la fuerza apunta hacia m₁: la gravedad siempre atrae.

Características de la fuerza gravitatoria

La constante G y cómo se midió

G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻². Su fórmula dimensional es [M⁻¹ L³ T⁻²].

G se llama universal porque tiene el mismo valor en todas partes: en la Tierra, en la Luna, entre galaxias. No cambia con el medio ni con los cuerpos.

Henry Cavendish la midió por primera vez (1798) con una balanza de torsión: dos bolitas de plomo en una varilla ligera colgada de un hilo fino. Se acercaron dos esferas grandes de plomo. La diminuta atracción gravitatoria giró el hilo un ángulo pequeño. Conociendo lo rígido que es el hilo, halló la fuerza y después G.

No confundas G con g. G es una constante fija de la naturaleza. g es la aceleración de la gravedad en un lugar (unos 9.8 m/s² en la Tierra) y cambia de un lugar a otro.

Superposición: muchas masas a la vez

Si varias masas atraen a un cuerpo, calcula cada atracción por separado con F = G m₁ m₂ / r², como si las demás no estuvieran. Después súmalas como vectores:

F_neta = F₁ + F₂ + F₃ + …

Si dos fuerzas forman un ángulo recto, usa Pitágoras: F_neta = √(F₁² + F₂²). Si son opuestas, réstalas.

Esferas grandes y capas

Una esfera uniforme atrae a una masa exterior como si toda su masa estuviera en su centro. Por eso usamos r = distancia entre centros para la Tierra y la Luna. Una capa hueca uniforme no ejerce ninguna fuerza sobre una masa colocada dentro: las atracciones de todos los lados se anulan.

Pruébalo: siente el inverso del cuadrado

Sujeta una linterna a 1 m de una pared y marca la mancha de luz. Aléjala hasta 2 m. La mancha se vuelve 2 veces más ancha y 2 veces más alta, o sea, 4 veces el área. La misma luz se reparte en 4 veces más área, así que cada parte recibe una cuarta parte. La gravedad se reparte en el espacio de la misma manera, y por eso va como 1/r². En el 3D, arrastra r de 1 m a 2 m y comprueba que F se vuelve la cuarta parte.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Halla la fuerza gravitatoria entre dos niños de 50 kg sentados a 1 m de distancia.

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 50 × 50 / 1² = 1.67 × 10⁻⁷ N. Demasiado pequeña para notarla.

2. La fuerza entre dos masas es 12 N. ¿Cuánto vale si la distancia se hace 2 veces mayor?

F ∝ 1/r². Nueva F = 12 / 2² = 3 N.

3. La fuerza entre dos masas es F. Una masa se duplica y la distancia se reduce a la mitad. Halla la nueva fuerza.

F' = G(2m₁)m₂/(r/2)² = 2 × 4 × F = 8F.

4. Halla la fuerza entre la Tierra (6 × 10²⁴ kg) y la Luna (7.4 × 10²² kg), separadas 3.84 × 10⁸ m.

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 6 × 10²⁴ × 7.4 × 10²² / (3.84 × 10⁸)². Numerador = 2.96 × 10³⁷; denominador = 1.47 × 10¹⁷. F ≈ 2.0 × 10²⁰ N.

5. Halla la atracción de la Tierra sobre un estudiante de 60 kg en su superficie (M = 6 × 10²⁴ kg, R = 6.4 × 10⁶ m).

F = 6.67 × 10⁻¹¹ × 6 × 10²⁴ × 60 / (6.4 × 10⁶)² = 2.40 × 10¹⁶ / 4.1 × 10¹³ ≈ 586 N. Es el peso del estudiante (≈ 60 × 9.8).

6. Tres masas iguales m están en tres esquinas de un cuadrado de lado a. Halla la fuerza neta sobre la masa de la esquina que queda entre las otras dos (la esquina del ángulo recto).

Cada vecina atrae con F = Gm²/a², formando 90° entre sí. F_neta = √(F² + F²) = √2 Gm²/a², a lo largo de la diagonal.

7. ¿En qué punto entre la Tierra y la Luna (distancia d, la Tierra 81 veces más pesada) es nula la fuerza neta sobre un cuerpo?

A una distancia x de la Tierra: G(81M)/x² = GM/(d − x)². Entonces 9/x = 1/(d − x), 9d − 9x = x, x = 0.9 d desde la Tierra.

Errores comunes

Test de práctica

1. La unidad de G en el SI es:
2. Si la distancia entre dos masas se triplica, la fuerza pasa a ser:
3. La fuerza gravitatoria es:
4. La Tierra atrae a una piedra con 10 N. La piedra atrae a la Tierra con:
5. ¿Quién midió G por primera vez en el laboratorio?

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la fórmula de la ley de gravitación universal?

F = G m₁ m₂ / r², donde G = 6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻².

¿Por qué G se llama constante de gravitación universal?

Porque su valor es el mismo en todo el universo y no depende de los cuerpos ni del medio.

¿Cuál es la diferencia entre G y g?

G es una constante de la naturaleza (6.67 × 10⁻¹¹ N m² kg⁻²). g es la aceleración de la gravedad en un lugar (unos 9.8 m/s² en la Tierra) y cambia con la altura, la profundidad y el lugar.

Dónde se estudia

ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
NetherlandsVWO 5Gravitation
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IGravitation and astronomy
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIGravitation and astronomy
RomaniaClasa a IX-aNewton's principles of mechanics and their applications
RomaniaClasa a IX-aNewton's principles of mechanics and their applications
RomaniaClasa a IX-aNewton's principles of mechanics and their applications
Spain4º ESOInteraction
Ukraine10 класMechanics
CBSE (India)Class 11Gravitation
England (GCSE, A level)Year 133.7 Fields and their consequences
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS2 Motion and stability: forces
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Force and Translational Dynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Force and Translational Dynamics
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Forces and interactions
Japan高校2年Various motions
FranceTroisièmeMotion and interactions
Russia7 классMotion and interaction of bodies
Russia9 классMechanical phenomena
Russia9 классMechanical phenomena
Russia10 классMechanics: dynamics
Russia10 классMechanics: dynamics
China高一Compulsory 2 Ch.7 Gravitation and spaceflight

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