Fuerzas en la naturaleza: gravedad y presión

La gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Se define como una fuerza atractiva a distancia que actúa entre cualquier par de objetos que tengan masa. A diferencia de las fuerzas de contacto (como empujar una caja), la gravedad no requiere que los cuerpos se toquen.

Isaac Newton formuló la Ley de Gravitación Universal, que establece que la fuerza con la que se atraen dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fórmula es:

$F = G \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{d^2}$

Donde:

• $F$ es la fuerza de atracción (en Newtons, N).
• $G$ es la Constante de Gravitación Universal ($6,67 \cdot 10^{-11} \, N \cdot m^2/kg^2$).
• $m_1$ y $m_2$ son las masas de los cuerpos (en kg).
• $d$ es la distancia entre sus centros (en metros).

La gravedad es una fuerza siempre atractiva y su alcance es infinito, aunque se debilita rápidamente al aumentar la distancia.

Es muy común confundir estos términos en la vida cotidiana, pero en física son conceptos distintos:

1. Masa ($m$): Es la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una propiedad intrínseca; no cambia si te vas a la Luna o a Marte. Se mide en kilogramos (kg).
2. Peso ($P$): Es la fuerza con la que un astro (como la Tierra) atrae a una masa. Al ser una fuerza, se mide en Newtons (N).

La relación entre ambas magnitudes viene dada por la segunda ley de Newton: $P = m \cdot g$

El peso varía dependiendo del astro donde nos encontremos porque la gravedad ($g$) cambia. Por ejemplo, en la Luna, donde la gravedad es mucho menor, pesarías aproximadamente una sexta parte de lo que pesas en la Tierra, pero tu masa seguiría siendo la misma.

El campo gravitatorio es la perturbación que crea una masa (como la Tierra) en el espacio que la rodea. Cualquier objeto situado en ese espacio sentirá una fuerza.

• Aceleración de la gravedad ($g$): En la superficie terrestre, el valor medio de $g$ es de aproximadamente $9,8 \, m/s^2$.
• Variación con la altitud: El valor de $g$ no es constante. A medida que nos alejamos del centro de la Tierra (subiendo a una montaña o en un avión), la fuerza de atracción disminuye, por lo que $g$ es menor.
• Líneas de campo: Se representan mediante flechas que apuntan hacia el centro de la Tierra, indicando la dirección de la fuerza que sufriría una masa testigo.

Johannes Kepler describió cómo se mueven los planetas alrededor del Sol mediante tres leyes fundamentales:

1. Primera Ley: Los planetas describen órbitas elípticas, y el Sol se sitúa en uno de los focos de esa elipse.
2. Segunda Ley: El radio vector que une el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto implica que el planeta se mueve más rápido cuando está cerca del Sol (perihelio) y más lento cuando está lejos (afelio).
3. Tercera Ley: El cuadrado del periodo orbital ($T^2$) es proporcional al cubo de la distancia media al Sol ($d^3$). Cuanto más lejos está un planeta del Sol, más tiempo tarda en completar su órbita.

Un satélite es cualquier objeto que orbita alrededor de un cuerpo más masivo.

• La Luna: Es nuestro satélite natural. Se mantiene en órbita debido al equilibrio entre su inercia (tendencia a seguir recto) y la atracción gravitatoria de la Tierra.
• Satélites artificiales: Dispositivos puestos en órbita por el ser humano para comunicaciones (GPS, TV) o investigación.
• Velocidad orbital: Para que un satélite no caiga a la Tierra ni escape al espacio, debe viajar a una velocidad específica.
• Ingravidez aparente: Los astronautas en la Estación Espacial Internacional no es que no tengan gravedad (la gravedad allí es un 90% de la terrestre), sino que están en una caída libre continua junto con la nave, lo que genera la sensación de flotar.

Las mareas son variaciones periódicas del nivel del mar causadas principalmente por la atracción gravitatoria de la Luna (y en menor medida del Sol) sobre las masas de agua de la Tierra.

• Pleamar: Marea alta. Ocurre en el lado de la Tierra que mira a la Luna y en el lado opuesto.
• Bajamar: Marea baja. Ocurre en las zonas intermedias. Generalmente, se producen dos pleamares y dos bajamares cada 24 horas y 50 minutos debido a la rotación terrestre.

La presión ($P$) es la relación entre la fuerza ejercida perpendicularmente sobre una superficie y el área de dicha superficie.

$P = \frac{F}{S}$

• Unidad SI: El Pascal (Pa), que equivale a $1 \, N/m^2$.
• Relación práctica: Si aplicamos la misma fuerza sobre una superficie más pequeña, la presión aumenta. Por eso los cuchillos están afilados (poca superficie = mucha presión) y las raquetas de nieve son anchas (mucha superficie = poca presión para no hundirse).

Se denomina fluido a cualquier sustancia que puede fluir y carece de forma propia (líquidos y gases).

• Líquidos: Son prácticamente incompresibles (su volumen no cambia apenas al presionarlos).
• Gases: Son muy compresibles; sus partículas están muy separadas y pueden juntarse mucho bajo presión. En un fluido, la presión se ejerce en todas las direcciones y es perpendicular a las paredes del recipiente.

La atmósfera es una capa de aire que rodea la Tierra. Al tener masa, el aire ejerce una presión sobre todo lo que hay en su interior.

• Experimento de Torricelli: Fue el primero en medirla usando un tubo de mercurio, determinando que a nivel del mar la presión es de 760 mm de Hg (equivalente a 1 atmósfera).
• Variación con la altitud: A mayor altitud, menor es la presión atmosférica, porque hay menos aire encima de nosotros "pesando".
• Otras unidades: 1 atm = 101.325 Pa = 1013 mb (milibares).

Cualquier punto en el interior de un líquido en reposo soporta una presión que depende de la profundidad. Se calcula con la fórmula:

$P = d \cdot g \cdot h$

Donde $d$ es la densidad del líquido, $g$ la gravedad y $h$ la profundidad.

• Vasos comunicantes: Si conectamos varios recipientes de distintas formas, el líquido alcanza la misma altura en todos ellos, ya que la presión en la base solo depende de la altura del fluido.

Enunciado: "La presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido".

• Prensa hidráulica: Es una máquina que permite multiplicar la fuerza. Aplicando una fuerza pequeña en un émbolo de sección pequeña ($S_1$), obtenemos una fuerza grande en un émbolo de sección grande ($S_2$): $\frac{F_1}{S_1} = \frac{F_2}{S_2}$ Es el principio que hace funcionar los frenos de los coches y los elevadores de los talleres.

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba llamada empuje ($E$), que es igual al peso del volumen de fluido desalojado.

$E = d_{fluido} \cdot V_{sumergido} \cdot g$

Condiciones de flotabilidad:

1. Si Peso > Empuje: El cuerpo se hunde.
2. Si Peso = Empuje: El cuerpo queda en equilibrio entre dos aguas.
3. Si Peso < Empuje: El cuerpo flota en la superficie.

Los meteorólogos utilizan mapas de isobaras (líneas que unen puntos con la misma presión atmosférica) para predecir el tiempo:

• Anticiclón (A): Zona de alta presión (mayor de 1013 mb). Suele traer tiempo estable y seco.
• Borrasca (B): Zona de baja presión. Suele traer inestabilidad, nubes y lluvia. El viento siempre sopla desde las altas presiones hacia las bajas presiones.

• Viento: Se genera por las diferencias de presión en la atmósfera.
• Ebullición: El agua hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión atmosférica. En lo alto de una montaña (baja presión), el agua hierve a menos de 100°C.
• Olla a presión: Al cerrar la olla, la presión interna aumenta mucho, lo que eleva el punto de ebullición del agua (hasta 120°C), cocinando los alimentos más rápido.
• Vuelo: Las alas de los aviones están diseñadas para que el aire pase más rápido por arriba que por abajo, creando una diferencia de presión que genera una fuerza de sustentación hacia arriba.