4. Fuerzas gravitatorias
Fuerzas a distancia
Las fuerzas que has visto hasta ahora son el resultado de la interacción de cuerpos que están en contacto. Sin embargo, las que vas a estudiar ahora son más misteriosas, ya que son el resultado de la interacción de dos cuerpos que se encuentran a una determinada distancia y son debidas a alguna de sus propiedades.
La primera que veremos será la fuerza gravitatoria que es la fuerza que experimentan los cuerpos con masa. Es la responsable de lo que llamamos peso, ¡pero también de que nuestro planeta esté girando alrededor del Sol!
AV - Reflexión
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Walking on Pluto
El video que vas a ver a continuación está extraído de una serie-documental de la BBC "Space Odyssey: Voyage to the Planets" donde se recrea un viaje tripulado por el Sistema Solar. Ten en cuenta que las imágenes que vas a ver son simplemente una simulación de lo que podría ser un viaje tripulado al planeta enano Plutón.
¿Qué observas en el movimiento del astronauta? ¿Por qué crees que se produce?
De regreso a la Tierra
En la superficie de nuestro planeta observamos que todos los cuerpos se ven atraídos por la Tierra con una fuerza a la que llamamos peso. El peso es debido a la atracción mutua entre un cuerpo y la Tierra porque ambos tienen masa: cuanto mayor es la masa, mayor es la atracción entre ambos (¡mayor es la fuerza que la Tierra realiza sobre el cuerpo, pero también la que realiza el cuerpo sobre la Tierra!).
El peso de un objeto es proporcional a su masa, pero ambos conceptos son muy diferentes, aunque en el lenguaje cotidiano se utilizan indistintamente.
Ejemplo o ejercicio resuelto
¿Es constante el peso?
Observa la siguiente animación. En ella se determina la masa de un saco de café y también puedes medir su peso en la Tierra y en la Luna con un dinamómetro. ¿Son ambos pesos iguales? ¿Cuál es su valor? ¿Cuál es mayor?
Actividad
La masa y el peso
La masa es la cantidad de materia de un objeto. Se mide en una balanza y su unidad de medida es el kilogramo.
El peso es una fuerza que resulta de la interacción de dos cuerpos con masa. Se mide con un dinamómetro y su unidad de medida es el Newton.
La masa es invariante, lo que quiere decir que no varía independientemente de dónde se encuentre el objeto; sin embargo, su peso puede variar dependiendo del lugar en el que esté.
Actividad de Lectura
Construcción de un dinamómetro casero
En esta experiencia vas a determinar de manera aproximada la masa de un objeto desconocido, utilizando un dinamómetro que vas a construir y calibrar.
Materiales necesarios para construir tu dinamómetro casero: un tubo de plástico (puede ser un tubo de manguera transparente); un tapón perforado (puede ser un protector de goma para las patas de las sillas); una goma elástica; un trozo de alambre; un rotulador permanente y un soporte con pesas calibradas.
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Deberás pasar la goma a través del agujero del tapón y sujetarla. Para ello conviene que hagas un pequeño nudo al final de la misma como tope. En el otro extremo de la cuerda colocarás un gancho hecho con alambre. Deberás realizar otro nudo en la goma para fijar el gancho.
Finalmente, deberás poner el tapón en el tubo de plástico: la goma y el gancho colgarán dentro de él de forma que el gancho sobresalga ligeramente.
Una vez terminado, piensa cómo calibrarlo con las masas conocidas y cómo determinar el peso del objeto de masa desconocida. ¿Qué opinas de esta forma de determinar el peso?
¿Cómo se calcula el peso de un cuerpo?
Ya sabes que se mide con un dinamómetro, pero ¿y si el cuerpo es muy grande? Para poder medirlo se utilizan las balanzas, que en lugar de indicar el peso nos indican la masa del cuerpo, ya que utilizan la relación que hay entre masa y peso:
P= mg
donde m representa la masa del cuerpo y g es una constante en la superficie de nuestro planeta, que tiene como valor 9,81 N/kg.
La unidad de medida del peso es el Newton (N), ya que el peso es una fuerza.
Actividad
El significado de g
En la Tierra g tiene un valor aproximado de 9,8 N/kg; es decir, la Tierra atrae cada kilogramo de masa con una fuerza de 9,8 N.
Ejemplo o ejercicio resuelto
Calculando pesos
Calcula en la Tierra el peso de objetos de 20 g, 5 kg y 50 kg. Expresa en todos los
casos el resultado en Newton (N) y ten en cuenta que g tiene un valor de 9,8 N/kg.
AV - Reflexión
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La primera astronauta
El 16 de junio de 1963, con 26 años, Valentina Tereshkova se convirtió en la primera mujer en viajar al espacio. Nacida en la actual Rusia, tras terminar sus estudios de ingeniería ingresó en el cuerpo femenino de cosmonautas.
Selecciona la afirmación correcta para Valentina en la superficie de la Tierra:
a) Tenía un peso de 60 kg.
b) Su masa era de 60 kg.
c) Pesaba 60 N.
Ejemplo o ejercicio resuelto
El peso en la Tierra y en la Luna
Un astronauta que viaja a la Luna tiene una masa de 70 kg ¿Cuál sería su peso en la Tierra? ¿Y en la Luna? (Recuerda que g = 9,8 N/kg en la superficie de la Tierra y g=1,6 N/kg en la superficie de la Luna).
Actividad de Lectura
El peso en el espacio
Si calculas el peso que tendría un objeto en otro planeta o en la Luna debes utilizar la misma expresión pero otro valor distinto de g. Por ejemplo, en la Luna g tiene un valor de de 1,6 N/kg, así que el peso será menor que en la Tierra, aproximadamente de la sexta parte, mientras que la masa seguirá siendo la misma.
La siguiente animación te va a permitir medir la fuerza experimentada por un dinamómetro al colocar pesas de distintas masas en él en la Tierra, en la Luna y en Marte. Para ello sólo tienes que seleccionar la opción deseada, marcándola en los recuadros de la derecha.
Para colocar las masas en el dinamómetro tendrás que coger las masas con el ratón y si quieres hacer una medida nueva marcar el recuadro verde donde aparece la palabra "nuevo".
a) Calcula el peso para las masas de 50 g, 100 g y 200 g en la Tierra y compruébalo midiendo con el dinamómetro (recuerda que g=9,8 N/kg en la Tierra).
b) Utiliza la animación para conocer el peso de estas masas en la Luna. Tras medir con el dinamómetro el peso de estas masas, justifica los resultados obtenidos en comparación con los de la Tierra (recuerda que g=1,6 N/kg en la Luna).
c) Midiendo con el dinamómetro el peso de las masas en Marte, calcula la gravedad en este planeta.
Actividad de Lectura
La ley de gravitación universal
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Aquí tienes una animación para que puedas experimentar como varía la fuerza con la que se atraen dos cuerpos en función de su masa y la distancia a la que se encuentran.
Se ha observado experimentalmente que dos cuerpos se atraen con una fuerza que es mayor cuanto mayores son sus masas y menor es esa distancia.
La ley de gravitación universal establece la relación numérica entre la fuerza gravitatoria, las masas de los cuerpos y la distancia a la que se encuentran.
Utilizando este simulador diseña una experiencia para determinar la relación entre esas magnitudes. Por ejemplo, ¿cómo varía la fuerza gravitatoria si se duplica una de las masas?
Objetivos
El peso en el Everest
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La gravedad no es la misma en todos los puntos de la superficie terrestre, ya que la fuerza con la que la Tierra atrae a un cuerpo depende de su masa pero también de la distancia a la que se encuentra.
En la cordillera del Himalaya, entre Nepal y China, se encuentra el Everest, que es la montaña más alta de nuestro planeta, con una altura de 8848 metros sobre el nivel del mar. Así que si subimos al Everest, nuestra masa seguiría siendo la misma, pero nuestro peso sería ligeramente menor que en la base, ya que la distancia a la que nos encontramos del centro de la Tierra es mayor.