¿Por qué los planetas orbitan alrededor del Sol? – Evinismo

La respuesta simple es: es porque el Sol es el objeto más masivo del sistema solar.

La atracción gravitacional del Sol es grande ya que el Sol pesa alrededor de 1.989×10³⁰ kg, para poner esto en su perspectiva, el El sol contribuye alrededor del 99,8% de toda la masa del sistema solar!

Por eso tiene el campo gravitacional más fuerte del sistema solar, lo que hace que otros planetas orbiten a su alrededor.

Pero hay más en la pregunta a medida que intentas profundizar más: si el Sol tiene una gravedad tan fuerte, ¿por qué todos los demás planetas, incluida la Tierra y otros objetos, no chocan contra el Sol? ¿O qué es exactamente una órbita?

Leyes de movimiento y gravitación de Newton

Partiendo de lo básico, en la mecánica clásica tratamos la gravedad como una fuerza de atracción entre objetos que tienen masa, y todo objeto que tiene cierta masa posee un campo gravitacional.

con el Ley Universal de Gravitación Newton nos enseñó que cualquier objeto masivo atrae a cualquier otro objeto a su alrededor, lo que se llama ley de gravedad de Newton, se ve así:

$$F = – \frac{G m_1 m_2}{r^2}$$

Donde $G$ es la constante gravitacional universal, $m_1$ es la masa de un objeto, $m_2$ es la masa de otro objeto y $r$ es la distancia entre los centros de los dos objetos.

Ahora puedes considerar, $m_1 = M_{sun}$ o la Masa del Sol, y $m_2$ que es igual a la masa de cualquier otro objeto en el sistema solar para encontrar la fuerza gravitacional entre ellos.

Debido a la fuerza gravitacional entre dos objetos, hacen que uno se acelere entre sí, sin embargo, el cuerpo con mayor masa tiene una mayor influencia sobre el otro.

Digamos que queremos calcular la aceleración gravitacional en un planeta debido a la gravedad del Sol, podemos comenzar con lo siguiente:

$$F_{g} = M_{p}\cdot a$$

$$- \frac{G\cdot M_{s}\cdot M_{p}}{r^2} = M_{p}\cdot a$$

$$a = – \frac{GM_{s}}{r^2}$$

Aquí, $F_{g}$ es la fuerza de gravedad entre el planeta y el objeto, $M_s$ y $M_p$ son las masas del Sol y del planeta respectivamente, $a$ es la aceleración en cualquier planeta debida al Sol. . gravedad, y $r$ es la distancia entre ellos.

Ahora sabemos que la fuerza de la gravedad empuja todo hacia el Sol, pero ¿qué impide que el planeta caiga hacia el Sol?

¿Qué impide que los planetas caigan hacia el Sol?

Otra fuerza en acción anula el efecto de la gravedad causado por la naturaleza del movimiento de esos planetas.

Esa fuerza se llama fuerza centrífugaEsta es la razón por la que la cuerda de un yoyo se estira cuando lo balanceas en el aire.

Siempre que un objeto realiza un movimiento circular, siempre experimenta una fuerza hacia afuera, a esto se le llama fuerza no inerciallo que simplemente significa que se experimenta como una fuerza cada vez que el marco de referencia gira sobre sí mismo.

A esto se le llama fuerza centrífuga.

Si ve niños montando en el tiovivo, en su referencia no hay fuerza hacia afuera, pero cuando usted mismo está montando el tiovivo, lo que significa que está en el marco que gira, obtiene una experiencia al aire libre. fuerza.

La fuerza exterior te hace sentir como si te hubieran arrojado del tiovivo.

Aquí viene a explicar la primera ley del movimiento de Newton: la inercia.

«Un objeto en reposo permanecerá en reposo, y un objeto en movimiento permanecerá en movimiento con velocidad constante a menos que actúe sobre él una fuerza externa neta».

Debido a la inercia, el objeto en cuestión debe viajar siempre en línea recta, pero como cambia de dirección todo el tiempo en un movimiento circular, esto da la sensación de una fuerza hacia afuera que se llama fuerza centrífuga.

Los niños que viajan en el tiovivo, en realidad no experimentan una fuerza de atracción como la gravedad, que los empuja hacia el centro de la estructura del tiovivo.

Es su asiento conectado al centro con una varilla, lo que los mantiene restringidos en su lugar, y hay una fuerza de tensión sobre esa varilla, dirigida hacia el centro, que también se llama fuerza centrípeta.

En el movimiento planetario, tenemos la gravedad del Sol, que tratamos como una fuerza de atracción que atrae a los planetas hacia el Sol, que en este caso es la fuerza centrípeta.

A medida que los planetas realizan un movimiento circular alrededor del Sol, experimentan el mismo tipo de fuerza centrífuga hacia afuera que equilibra la atracción gravitacional del Sol, razón por la cual orbitan alrededor del Sol sin caer dentro de él.

Sin embargo, nuevamente esta fuerza centrífuga no es una fuerza real sino que es el resultado de la inercia y la velocidad del objeto en movimiento circular; la fuerza centrípeta es la fuerza real.

Visualizando órbitas: lanzando una bola al espacio

Una forma más divertida de imaginar este escenario de órbita es suponer que lanzas una pelota hacia arriba, ¿qué sucede? recorre cierta distancia en el aire y cae.

Ahora lanzas la pelota con más potencia esta vez, ¿y ahora qué? fue más lejos que antes.

Prueba a tirarlo a unos kilómetros de distancia, puede que físicamente no te sea posible hacerlo, pero supongamos que sí puedes.

Haz tu mejor esfuerzo y tíralo a 420 kilómetros de altura. ¿Se cayó?

Si lo hiciste bien, es posible que la encuentres saludando a los astronautas en la Estación Espacial Internacional, que también orbita la Tierra a una altura de 420 kilómetros.

Suponiendo que lo hayas hecho bien, significaría, en primer lugar, que la pelota alcanzó una altitud de 420 kilómetros, en segundo lugar, que tenía una trayectoria curva y, en tercer lugar, que tenía suficiente velocidad, lo que significa que estaba en velocidad orbital Necesitaba tener una órbita alrededor de la Tierra de 420 kilómetros de altura.

Si marca los tres requisitos en verde, la bola nunca volverá y seguirá cayendo bajo la gravedad de la Tierra, lo que significa que comenzará a girar alrededor de la Tierra.

Puede que sea un poco contradictorio, pero piénselo.

La velocidad orbital de un objeto al orbitar la Tierra está dada por:

$$V_0 = \sqrt{\frac{GM_{e}}{R}}$$

Aquí, $G$ es nuevamente la constante gravitacional, $M_{e}$ es la masa de la Tierra y $R$ es la distancia entre el centro de la Tierra y el objeto, podemos obtener la velocidad orbital requerida para orbitar el Sol simplemente reemplazándolo con la masa del Sol, la distancia.

Y sí, una órbita es solo el camino que sigue ese objeto cuando sigue cayendo hacia el objeto central pero pierde la superficie porque su camino es curvo.

Los planetas y todos los demás objetos que orbitan alrededor del Sol tienen las velocidades orbitales necesarias, lo que significa que mientras son atraídos hacia el Sol, también se mueven hacia los lados lo suficientemente rápido como para evitar que caigan hacia el Sol. Sol.

Pero, para empezar, ¿cómo obtienen los planetas sus velocidades?

¿De dónde obtienen los planetas su velocidad inicial?

Para responder a eso tenemos que entrar en la «formación planetaria».

La teoría más aceptada sobre la formación del Sol y los planetas es que comenzó cuando una gigantesca nube molecular de gas comenzó a colapsar bajo su propia gravedad.

Para cualquier sistema estelar del universo, la estrella es la primera en nacer, razón por la cual también (idealmente ocupa la mayor parte de la masa) es la más masiva de ese sistema.

Hay Medio interestelar (ISM) o simplemente nubes de gas, distribuidas de manera no uniforme por todo el universo.

Cada vez que hay una mayor densidad de estas nubes en una región del espacio, debido a la gravedad de ese grupo de nubes en esa región, comienza a contraerse y a acumular más y más masa o gas de los alrededores.

A medida que la nube de gas se contrae, comienza a girar debido a la conservación del momento angular.

El momento angular describe el movimiento de rotación de un objeto alrededor de un eje, es el producto de su velocidad de rotación y su tamaño, lo que implica que a medida que un objeto se contrae, su velocidad de rotación debe aumentar.

Esta colección rápidamente se vuelve tan grande que la gravedad de la colección recolectada comienza a comprimir su masa en un punto y, finalmente, comienza a calentarse debido a la colisión entre las moléculas de gas que se contraen.

Esto conduce a la formación de estrellas, después de que la estrella se forma algo de masa residual en el vecindario aquí y allá, conduce a la formación de planetas y asteroides, todos con diferentes velocidades de rotación.

Cualquier objeto que no tuviera suficiente velocidad ya se ha estrellado contra el Sol.

Más sobre la verdadera naturaleza de la gravedad: en realidad no es una fuerza

Hasta ahora, la explicación de las órbitas se basaba en las leyes clásicas de la física utilizando las leyes del movimiento y la gravedad de Newton.

Según la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, los objetos masivos no atraen a otros objetos, lo que significa que la gravedad no es realmente una fuerza.

Los objetos masivos distorsionan la estructura del espacio-tiempo de tal manera que el objeto que se suponía que seguía una línea recta para siempre en una dirección particular, parece estar girando alrededor de ese objeto.

¿Qué significa?

Einstein propuso que el espacio y el tiempo no son independientes sino que están interconectados entre sí y que la densidad de masa y energía de una región define la curvatura del tejido del espacio-tiempo.

Debido a la inercia de un objeto, éste tiende a no seguir una línea recta en nuestra perspectiva sino que simplemente se mueve a lo largo de la curvatura espacio-temporal.

Imagínese una hormiga caminando sobre el papel, recorriendo un camino recto sobre él.

Ahora dobla un poco ese papel, para las hormigas, todavía es un camino recto, pero para ti, estás caminando por un camino torcido.

Ahora, dobla el papel de tal forma que quede unido de punta a punta. ¿Lo que sucederá?

La hormiga ahora sigue un camino circular sin necesidad de desviarse de la línea recta que sigue.

Así funcionan las órbitas en la Relatividad General.

Y resulta bastante peculiar que ningún objeto siga un camino recto en nuestra perspectiva a menos que esté bajo la influencia de cualquier otra fuerza, sino que sigue el camino más corto debido a la curvatura del espacio-tiempo.

A eso lo llamamos camino geodésico, y estos caminos son las trayectorias naturales que toman los objetos en ausencia de otras fuerzas.

Entonces tienes un cuerpo masivo que gira el espacio-tiempo a su alrededor (es decir, la gravedad), para cualquier otro objeto en su vecindad, el camino que tomas mientras viajas desde cualquier punto A a B es el más corto y recto hacia ese objeto, aunque para ti como observador no parecerá una línea recta.