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Hace muchos años el hombre se preguntaba cómo se mueven los planetas y por qué los objetos son atraídos a la superficie de la Tierra. Pasaba muchas horas observando el Universo para encontrar una respuesta. Un día este misterio se develó cuando Isaac Newton, un matemático y físico inglés, enunció la ley de la gravitación universal.
Buscar respuestas a enigmas tan grandes conlleva mucho estudio, análisis y dedicación. En relación al Universo, los astrónomos de diferentes épocas han intentado comprender su origen y funcionamiento. Para ello han ofrecido diversas teorías. Éstas son un conjunto de hipótesis, conocimientos y leyes científicas lógicamente ordenadas y sustentadas en variadas evidencias empíricas (procedentes de la experiencia) que permiten deducir o concluir. Al respecto, las teorías no dejan de ser puntos de vista, a veces más aceptados y otras veces rebatidos.
Hoy en día sabemos que nuestro planeta, al igual que otros, gira alrededor de una única estrella llamada Sol por efecto de la gravedad. Sin embargo, antes de llegar a este conocimiento, los estudiosos sostuvieron diversas concepciones.
Las primeras ideas que se tenían del Universo eran “geocéntricas”, es decir, localizaban la Tierra en el centro del Universo con los planetas y estrellas girando a su alrededor. Este sistema se llamó “modelo ptolemeico”, por el astrónomo griego Ptolomeo que fue quien lo propuso.
Claudio Ptolomeo fue astrólogo y astrónomo greco - egipcio que se dedicó a la observación del Universo.
Este pensamiento científico perduró durante muchos siglos, hasta que otros astrónomos como Tycho Brahe, Nicolás Copérnico, Galileo Galilei y Johannes Kepler derrumbaron el pensamiento de Ptolomeo con sus nuevas investigaciones.
Tycho Brahe (1546 - 1601). De origen danés. Diseñó diferentes instrumentos que le permitieron medir las posiciones de las estrellas y los planetas. Dispuso que se construyera el palacio Uraniborg, que fue el primer centro de observación astronómica. Estaba ubicado en la isla danesa Ven.
Uraniborg, centro astronómico.
Nicolás Copérnico (1473 - 1543). Astrónomo polaco, formuló la teoría heliocéntrica del Sistema Solar. Muchos lo han considerado el fundador de la astronomía moderna y su modelo fue clave en la revolución científica del Renacimiento (movimiento cultural que se dio en Europa occidental y que fue acompañado con avances en la ciencia).
Galileo Galilei (1564 - 1642). Astrónomo, filósofo, matemático y físico italiano, considerado uno de los precursores del planteamiento de la teoría de Newton. Consiguió demostrar que todos los objetos caen sobre la superficie de la Tierra con la misma aceleración, y que esa aceleración es independiente de la masa del objeto que cae. ¿Y por qué caen todos los objetos con la misma aceleración? Newton trajo la respuesta al hablar de la gravedad. Galilei fue considerado padre de la astronomía moderna, de la física moderna y de la ciencia. Entre sus logros también se incluyen las mejoras al telescopio.
Johannes Kepler (1571 - 1630). Astrónomo y matemático alemán, su principal contribución científica fueron las leyes que formuló en torno al movimiento de los planetas en órbita al Sol. En 1596 escribió un libro llamado El misterio cósmico en el que expuso todas sus observaciones. En 1600 aceptó la colaboración de Tycho Brahe quien había puesto en marcha un importante centro de observación astronómico y en esa época disponía de los mejores instrumentos para la investigación. La relación entre ambos no fue fácil, cuando murió Brahe, Kepler consiguió acceder a los datos recopilados por él, que tenían una gran precisión. Con esa información pudo discernir que el movimiento de los planetas se daba en forma de elipses.
Era la gravedad…
Isaac Newton (1643 - 1727) Físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés que terminó de dar una explicación a las leyes de Kepler. Los datos que obtuvo los publicó en 1687 como parte de un capítulo de la obra Principia. También realizó descubrimientos científicos en relación a la naturaleza de la luz y la óptica.
Para encontrar respuesta a las diversas teorías astronómicas que se venían manejando por los otros investigadores, Newton buscó unificar dos fenómenos aparentemente dispares: el movimiento de los objetos que caen hacia la Tierra y el movimiento de los planetas que giran alrededor del sol.
Según la célebre anécdota, Newton, al observar la caída de una manzana desde un árbol, intuyó que la fuerza que actuaba sobre la manzana era la misma naturaleza que existe entre los astros. ¡La gravedad! Antes de llegar a esta conclusión estudió las leyes de Kepler y expandió la descripción que este estudioso había dado en relación al movimiento de los planetas.
Kepler nunca llegó a comprender el por qué de estas leyes, es decir, por qué los planetas se movían en forma elíptica. Fue Isaac Newton quien descubrió que estas leyes son las consecuencias de la ley de gravitación universal.
Newton comprobó que el peso de los objetos en la superficie de la Tierra y la fuerza que mantiene a la Luna en su órbita, responden al mismo fenómeno.
Ley de gravitación universal
De acuerdo a esta ley, la fuerza de gravedad mantiene a los planetas en sus órbitas, a la vez que afecta los objetos que se lanzan en la superficie de la Tierra.
Según la primera ley de Newton, un cuerpo en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme permanecerá en esa condición hasta que una fuerza externa lo haga cambiar. Llevando esta ley al movimiento de los planetas, podemos observar que éstos están siendo atraídos constantemente por el Sol, de la misma manera que una manzana es atraída hacia el centro de la Tierra cuando cae de una rama de un árbol. Esto significa que la gravedad no es una fuerza exclusivamente del planeta Tierra, todos los cuerpos la ejercen, pero depende de la masa de cada uno. Como el Sol posee una gran cantidad de masa, es capaz de mantener a todo el sistema solar en órbitas en torno a él.
Hay que tener en cuenta que si bien Newton habló de la gravedad, también le atribuyó a ésta carácter universal. ¿Qué significa esto? Que todos los objetos tiran unos de otros en una forma en la que solo intervienen la masa y la distancia. Según esta ley, todo objeto atrae a todos los demás objetos con más fuerza que, para dos objetos cualesquiera, es directamente proporcional a las masas.
Siguiendo la Ley de Gravitación Universal, el Sol atrae a la Tierra, y ésta, a su vez, atrae al Sol con una fuerza de igual magnitud. A su vez la Tierra nos atrae, imagínense que si no existiese la gravedad estaríamos flotando en el aire.
La gravedad en otros planetas
La gravedad origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico, por ejemplo, la Tierra. En la superficie de la Tierra, la aceleración originada por la gravedad es 9 m/s2 aproximadamente. Gracias a la gravedad los planetas orbitan alrededor del Sol y la luna orbita alrededor de la Tierra.
En palabras sencillas, la gravedad es la que nos "tira" hacia la superficie, por eso entre más masa un objeto tenga más fuerte será su "tirón" o atracción gravitacional. La luna ejerce una fuerza de gravedad de 1,62 m/s2, lo que equivale a 6 veces menos gravedad que en la Tierra. Por eso vemos a los astronautas saltando y flotando en la Luna.
En los planetas del sistema solar la gravedad es la siguiente:
Mercurio: 2,8 m/s²
Venus: 8,9 m/s²
Tierra: 9,8 m/s²
Marte: 3,7 m/s²
Júpiter: 22,9 m/s²
Saturno: 9,1 m/s²
Urano: 7,8 m/s²
Neptuno: 11 m/s²
Luna: 1,6 m/s²
A no confundirse: masa y peso
Masa: es la cantidad de materia de un cuerpo que se mide en una balanza, y su unidad de medida es el kilogramo (kg). Por ejemplo, una pelota de golf tiene más masa que una pelotita de ping pong.
Peso: es la cuantificación de la fuerza de atracción gravitacional ejercida sobre un cuerpo. Para conocer el peso de un cuerpo se aplica la fórmula P = m. g
También se puede utilizar un dinamómetro, es un aparato que tiene un resorte y del cual debe “colgarse” el cuerpo que se quiere pesar. Su unidad de medida es el newton (N).
Hay que tener en cuenta que el kilogramo es una unidad de masa y no de peso. Sin embargo, muchos aparatos que miden peso tienen su escala graduada en kilogramo, que en realidad se llama kilogramo - fuerza (Kg-fuerza). Se trata de otra unidad de medida de peso, que es equivalente a 9,8 Newtons, y que se utiliza cotidianamente para indicar el peso de algo.
Dijimos que el peso se calcula con la fórmula P = m. g; si viajamos a otro planeta donde la gravedad es diferente entonces nuestro peso cambiaría. Atención, nuestra masa seguiría siendo igual pero nuestro peso cambiaría por la acción de la gravedad. Entonces: una persona que pesa 70 Kg en la Tierra, pesaría 11,6 Kg en la Luna, 26,3 Kg en Marte.
¿Qué es la paradoja de Olbers?
La paradoja de Olbers fue propuesta en 1823 por Heinrich Wilhelm Olbers, un astrónomo alemán. Doscientos años antes Johannes Kepler también había hablado sobre esta paradoja. Según el razonamiento de estos estudiosos, en un Universo estático e infinito el cielo nocturno debería ser totalmente brillante sin regiones oscuras o desprovistas de luz
Este pensamiento se denomina “paradoja” porque se llega a dos resultados opuestos utilizando dos métodos de razonamiento en apariencia válidos. En 1610 la paradoja fue estudiada por Kepler, quien comenzó a pensar en la oscuridad del cielo y la infinidad del Universo. Para Kepler la oscuridad que hay entre las estrellas es la evidencia de la existencia de un borde del Universo.
En 1715, el astrónomo británico Edmund Halley identificó en el cielo algunas zonas brillantes y propuso que el cielo no brilla uniformemente durante la noche porque, aunque el Universo es infinito, las estrellas no están distribuidas de manera uniforme.
Más tarde otro astrónomo, Jean-Philippe Loys de Chéseaux, de origen suizo, introdujo la hipótesis de que la luz de las estrellas lejanas se debilitaba debido a que era "absorbida" por el espacio vacío. Al respecto, Olbers consideró la posibilidad de absorción de la luz por algún tipo de materia situada entre las estrellas. Sin embargo, esta especulación de Olbers fue rebatida por científicos posteriores, quienes afirmaron que la existencia de esa materia, entre las estrellas, no tiene razón de ser porque con el tiempo se calentaría y, finalmente, radiaría tanto brillo como las estrellas.
Años más tarde, en 1948, el astrónomo británico Hermann Bondi propuso otra explicación a esta paradoja. Según Bondi, la expansión del Universo provocaba que la luz percibida desde la lejanía fuera rojiza y, como consecuencia, con menor energía de luz.
Finalmente, en 1960 el astrónomo estadounidense Edward Harrison propuso la solución más convincente a la paradoja. Harrison afirma que no vemos la luz de las estrellas que se encuentran infinitamente lejos porque aún no ha llegado. Es decir, teniendo en cuenta que la luz tarda cierto tiempo en alcanzar la Tierra, mirar lejos en el espacio es como mirar en el pasado. Cada línea de visión desde la Tierra no termina en una estrella porque la luz de las estrellas más lejanas que se necesitan para crear la paradoja de Olbers todavía no ha alcanzado la Tierra.
La teoría inflacionaria
La teoría inflacionaria fue desarrollada a comienzos de la década de 1980 por el físico estadounidense Alan Guth. Propone una explicación a los acontecimientos que se sucedieron en los primeros momentos de la creación del Universo. Este astrónomo considera que la teoría del Big Bang no está exenta de enigmas.
Antes de la explosión, muchos científicos coinciden que toda la materia y radiación del Universo estaba comprimida en una masa densa y caliente. Se calcula que este estado existió durante una fracción muy corta de tiempo. Siguiendo esta teoría, una onda expansiva habría permitido que toda la energía y materia se expandiera a una velocidad alta. La expansión habría continuado, pero mucho más despacio, durante los siguientes miles de millones de años.
Sin embargo, sin abandonar la teoría del Big Bang o explosión original, Guth postula un cambio de fase, segundos después de producirse la explosión, lo cual, según los cálculos, debió de dar lugar a una expansión del horizonte del Universo más rápida que la velocidad de la luz y que permite a esta teoría justificar de manera adecuada la gran extensión del Universo y de su uniformidad.
De acuerdo a la teoría inflacionaria, el Universo se expandió de una forma masiva, desde el tamaño de una partícula subatómica al de una pelota de básquet, en una mera fracción de segundo. Luego, el Universo se frenó gradualmente hasta llegar a un nivel de estabilidad, un estado "plano".
¿Algún día pensaste en ser astrónomo?
Si te interesa mucho el tema de los planetas, seguramente alguna vez pensaste en estudiar astronomía.
La astronomía es la ciencia que estudia los objetos y fenómenos celestes, que en su conjunto constituyen lo que llamamos Universo. Aquellas personas que deciden emprender la carrera de astronomía se dedican principalmente a la investigación científica, es decir al estudio, desarrollo y examen de teorías y modelos que expliquen los fenómenos que ocurren en el Universo. Para ello se valen de otras ciencias como Física y Matemática. Muchos astrónomos también se dedican a la docencia.
Uno de los aspectos fundamentales en las investigaciones es contar con datos precisos, para conseguirlos, los astrónomos suelen utilizar los equipos disponibles en los observatorios o a bordo de satélites. Hoy en día, gracias a la internacionalización de información, muchos datos se encuentran disponibles en Internet.
Para llevar a cabo las investigaciones trabajan en grupo, incluso interactuando con colegas de todas partes del mundo. Es por ello que es recomendable, para quienes se quieren iniciar en este estudio, que tengan un buen dominio de inglés.
