CAMPO GRAVITATORIO

Introducción

Es un hecho que la fuerza de interacción gravitatoria se ejerce a distancia (no es necesario el contacto entre cuerpos), de forma instantánea (el tiempo no aparece en la expresión de la ley de la gravitación universal) y que no es necesario un medio físico que las transmita. Newton admite que esto ocurre así pero sin saber explicar cómo es posible.

¿Cómo explicamos estos hechos?, vamos a introducir un concepto fundamental en Física que es el de campo de fuerzas.

De una manera general, podemos decir que un campo es una región del espacio en la que asignamos a cada uno de sus puntos un valor, ya sea escalar o vectorial.

Mapa de Isobaras

Para la predicción del tiempo es común utilizar los mapas de isobaras. Un mapa de isobaras no es más que la representación gráfica de la presión atmosférica en cada punto del espacio, es decir, del campo de presiones. Las líneas que ves, unen los puntos que poseen el mismo valor de presión.

En Física es muy habitual que trabajemos con un tipo particular de campo que es el campo de fuerzas.

Campos de fuerzas

Michael Faraday (1791-1867) fue uno de los más importantes científicos del siglo XIX, sus conocimientos los obtuvo en gran medida de manera autodidacta, ya que no cursó estudios superiores, lo que provocó que su base matemática no fuese muy fuerte. Sin embrago era un extraordinario científico experimental e ideó el concepto de campo de fuerzas para explicar las fuerzas electromagnéticas producidas por cuerpos cargados en el espacio, utilizando la idea de líneas de fuerza que veremos más adelante.

En 1865 James Clerk Maxwell dio base matemática al concepto de campo de Faraday, llegando a calcular la velocidad con que se propaga la interacción electromagnética a distancia, que resultó ser igual a la velocidad de la luz. Concluyendo además que la luz es una onda electromagnética, como veremos en el curso.

En su teoría general de la relatividad de 1915 A.Einstein establece el mismo concepto de campo de fuerzas en gravitación. Según él, el campo gravitatorio es la deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de la masa de los cuerpos.

La teoría de la relatividad explica que ninguna acción u objeto físico puede superar la

velocidad de la luz.

Finalmente el concepto de campo nos indica que la interacción gravitatoria:

• Se ejerce a distancia sin necesidad de medio, eliminando la idea de éter que llenaba todo el espacio y que se introdujo para poder tener un medio de transmisión.
• No es instantánea, su velocidad de propagación no es infinita, sino igual a la de la luz.
• Si el Sol desapareciese ahora mismo tardaríamos ocho minutos en enterarnos.

Definición: Un campo de fuerzas es una zona del espacio perturbada por la presencia de una partícula (un masa, una carga).

La partícula creadora del campo perturba el espacio en un tiempo finito, a partir de entonces cualquier otra partícula sentirá la influencia del campo instantáneamente en forma de fuerza que actúa sobre la segunda partícula.

Un campo gravitatorio es creado por una partícula que posee masa y la influencia será sentida por otra partícula que penetre en el campo y posea masa también, análogamente ocurre con cargas eléctricas en el caso del campo eléctrico.

La fuerza gravitatoria, cuya expresión nos da la ley de la gravitación universal no nos sirve sin embargo para caracterizar el campo gravitatorio.

Supongamos que m₁ es la partícula creadora del campo y m₂ la partícula que siente la acción del campo, así el valor de la fuerza dependerá de la partícula que entra en el campo, queremos una expresión que dependa solo de la partícula creadora del campo.

Las magnitudes que definen el campo son la intensidad del campo, magnitud vectorial que lo define desde una perspectiva dinámica, y el potencial del campo, magnitud escalar que lo define desde un punto de vista energético.

Campo gravitatorio

Definición: campo gravitatorio es la perturbación que todo cuerpo material, por el hecho de tener masa, produce en el espacio que lo rodea.

Si situamos una masa m, esta ejerce una influencia en el espacio que le rodea. Si situamos otro cuerpo de masa m' en cualquier región de dicho campo, este "notará" la existencia del campo en forma de interacción atractiva.

 Intensidad del campo

Definición Intensidad del campo gravitatorio, g˙, en un punto del espacio, es la fuerza gravitatoria que actúa sobre la unida de masa colocada en él. 

Campo gravitatorio de una masa puntual
La unidad de la intensidad del campo en el SI es el N/Kg. Coincide con la unidad de aceleración, m/s², y por ello se llama también aceleración de la gravedad.

Una masa puntual, M, crea un campo a su alrededor. Una segunda masa de prueba m’, colocada a una distancia r, experimenta una fuerza dirigida hacia M:

Principio de superposición

El campo gravitatorio creado por un sistema de n masas puntuales en un punto es la suma vectorial de los campos individuales producidos por cada una de las masas en dicho punto.

Campo gravitatorio creado por una esfera

El campo gravitatorio en el exterior de una esfera homogénea es igual al que crearía un punto material de la misma masa situado en el centro de la esfera.