La luna no cae a la Tierra porque es una órbita.
Una de las cosas más difíciles de aprender sobre física es el concepto de fuerza. El hecho de que haya una fuerza sobre algo no significa que se moverá en la dirección de la fuerza. En cambio, la fuerza influye en el movimiento para estar un poco más en la dirección de la fuerza que antes.
Por ejemplo, si haces rodar una bola de boliche directamente por un carril, luego corres a su lado y la pateas hacia la canaleta, aplicas una fuerza hacia la canaleta, pero la bola no va directamente hacia la canaleta. En cambio, sigue bajando por el carril, pero también recoge un poco de movimiento diagonal.
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Imagina que estás parado al borde de un acantilado de 100 m de altura. Si deja caer una roca, caerá directamente hacia abajo porque no tenía velocidad para comenzar, por lo que la única velocidad que recoge es hacia abajo desde la fuerza hacia abajo.
Si arroja la roca horizontalmente, seguirá cayendo, pero seguirá moviéndose horizontalmente mientras lo hace y caerá en ángulo. (El ángulo no es constante; la forma es una curva llamada parábola, pero eso es relativamente poco importante aquí.) La fuerza es recta hacia abajo, pero esa fuerza no impide que la roca se mueva horizontalmente.
Si arrojas la roca con más fuerza, va más allá y cae en un ángulo menos profundo. La fuerza que ejerce sobre la gravedad es la misma, pero la velocidad original era mucho mayor y, por lo tanto, la desviación es menor.
Ahora imagine tirar la roca con tanta fuerza que viaja un kilómetro horizontalmente antes de tocar el suelo. Si haces eso, sucede algo ligeramente nuevo. La roca aún cae, pero tiene que caer más de 100 metros antes de tocar el suelo. La razón es que la Tierra está curvada y, a medida que la roca viajaba ese kilómetro, la Tierra en realidad se curvaba debajo de ella. En un kilómetro, resulta que la Tierra se curva en unos 10 centímetros, una pequeña diferencia, pero real.
A medida que arrojas la roca aún más fuerte que eso, la curvatura de la Tierra debajo se vuelve más significativa. Si pudieras arrojar la roca 10 kilómetros, la Tierra ahora se curvaría por 10 metros, y durante 100 km arrojaría la Tierra por un kilómetro entero. Ahora la piedra tiene que caer muy lejos en comparación con el acantilado de 100 metros desde el que se dejó caer.
Echa un vistazo al siguiente dibujo. Fue hecho por Isaac Newton, la primera persona en entender las órbitas. En mi humilde opinión, es uno de los mejores diagramas jamás realizados.
Lo que muestra es que si pudieras lanzar la roca lo suficientemente fuerte, la Tierra se curvaría tanto debajo de la roca que la roca nunca se acercará más al suelo. ¡Da la vuelta al círculo y puede golpearte en la parte posterior de la cabeza!
Esta es una órbita. Es lo que están haciendo los satélites y la luna. En realidad, no podemos hacerlo aquí cerca de la superficie de la Tierra debido a la resistencia del viento, pero en la superficie de la luna, donde no hay atmósfera, podría tener una órbita muy baja.
Este es el mecanismo por el cual las cosas “se mantienen” en el espacio.
La gravedad se debilita a medida que avanzas. La gravedad de la Tierra es mucho más débil en la luna que en un satélite en órbita terrestre baja. Debido a que la gravedad es mucho más débil en la luna, la luna orbita mucho más lentamente que la Estación Espacial Internacional, por ejemplo. La luna tarda un mes en dar la vuelta. La EEI lleva unas horas. Una consecuencia interesante es que si sales con la cantidad justa entre seis radios terrestres, alcanzas un punto donde la gravedad se debilita lo suficiente como para que una órbita alrededor de la Tierra tome 24 horas. Allí, podría tener una “órbita geosíncrona”, un satélite que orbita para que permanezca por encima del mismo punto en el ecuador de la Tierra a medida que gira la Tierra.
Aunque la gravedad se debilita a medida que avanza, no hay una distancia de corte. En teoría, la gravedad se extiende para siempre. Sin embargo, si fueras hacia el sol, eventualmente la gravedad del sol sería más fuerte que la de la Tierra, y entonces ya no volverías a caer a la Tierra, incluso sin la velocidad para orbitar. Eso sucedería si recorrieras alrededor de .1% de la distancia al sol, o alrededor de 250,000 km, o 40 radios de la Tierra. (En realidad, esto es menor que la distancia a la luna, pero la luna no cae al Sol porque está orbitando al sol, al igual que la Tierra misma).
Entonces la luna “cae” hacia la Tierra debido a la gravedad, pero no se acerca más a la Tierra porque su movimiento es una órbita, y la dinámica de la órbita está determinada por la fuerza de la gravedad a esa distancia y por las leyes de movimiento de Newton .