Gravedad en el Espacio
La gravedad en el espacio es la atracción entre todas las masas que mantiene a los planetas en órbita, da forma a las estrellas y galaxias, y nunca desaparece por completo con la distancia.
Definition
La gravedad es la atracción que todo objeto ejerce sobre cualquier otro, y es lo que mantiene a la Luna dando vueltas alrededor de la Tierra y a la Tierra alrededor del Sol. Su fuerza crece con las masas involucradas y se reduce con el cuadrado de la distancia entre ellas, así que duplicar la distancia reduce la fuerza a un cuarto, y nunca llega a cero sin importar qué tan lejos vayas. En el espacio, la gravedad forma estrellas y planetas a partir de nubes de gas, mantiene a planetas y lunas en órbita, y une a las galaxias. La ley de gravitación universal de Newton da la fuerza entre masas $m_1$ y $m_2$ separadas por $r$ como $F = G\,m_1 m_2 / r^2$, con $G = 6.674 \times 10^{-11}\ \text{N m}^2/\text{kg}^2$, lo cual explica las órbitas, las mareas mediante la diferencia de atracción a través de un cuerpo, la forma esférica de los cuerpos grandes, y el colapso de nubes de gas en estrellas. La relatividad general reinterpreta la gravedad como la curvatura del espaciotiempo por la masa y la energía, una descripción que se vuelve necesaria cerca de agujeros negros, para la sincronización precisa del GPS, y para la expansión del universo.
Example
Pesas unas $6$ veces menos en la Luna que en la Tierra porque la Luna es mucho más pequeña y tira con menos fuerza, así que una persona de $60$ kilogramos se sentiría como de $10$ kilogramos allí. La gravedad superficial de la Tierra es $9.8\ \text{m/s}^2$, la de Marte es $3.7\ \text{m/s}^2$, y la de la Luna es $1.6\ \text{m/s}^2$, mientras que la de Júpiter es $24.8\ \text{m/s}^2$, así que una persona que pesa $500\ \text{N}$ en la Tierra pesaría más de $1{,}200\ \text{N}$ en Júpiter. Para el sistema Tierra-Sol, $F = G M_{\odot} M_{\oplus} / r^2 \approx 3.5 \times 10^{22}\ \text{N}$, e igualando eso a $M_{\oplus} v^2 / r$ se obtiene la velocidad orbital de la Tierra $v \approx 30\ \text{km/s}$, coincidiendo con la observación.
Key Insight
Los astronautas flotan en la estación espacial no porque no haya gravedad allá arriba, sino porque ellos y la estación están cayendo juntos alrededor de la Tierra; la gravedad a esa altura sigue siendo cerca del $90\%$ tan fuerte como en el suelo. Masa y peso son diferentes: tu masa es la misma en todas partes, mientras que tu peso es la fuerza de la gravedad sobre esa masa y cambia de un mundo a otro. La gravedad es por mucho la más débil de las fuerzas fundamentales, unas $10^{36}$ veces más débil que la fuerza eléctrica entre dos protones. Domina el cosmos solo porque siempre es atractiva y tiene alcance infinito, así que se acumula sobre masas astronómicas mientras las cargas eléctricas se cancelan entre sí.