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(La siguiente demostración es de mi autoría y terminada el 10/03/19)
   
   
Seguido explicaremos porqué los cuerpos "caen". Es decir, demostraremos que la fuerza que se da en un objeto hacia la Tierra en realidad es simplemente el efecto producido por su movimiento en el espacio que ha sido deformado por la masa del planeta.

La siguiente demostración entiendo que es inédita porque corresponde a mi forma de entender las cosas. Espero no estar en un error.


Demostración que la masa contrae al espacio en su derredor

Nos enfocaremos especialmente en una masa M que es la de nuestro planeta Tierra.

Se sabe que dada la masa M = 5,97.1027 g del planeta Tierra y a un radio de su centro R = 6,38.106 m que es el Ecuador, un objeto de masa m tendrá una aceleración de gravedad g(R)=9,8 m/s2 en su caída libre. Este lo hará desde una altura yo << R que estará dada por las ecuaciones que siguen (puede recurrir a nuestro link) y la figura que las acompañan

  
g(R) = GM/R2 = 9,8 m/s2   signo_flecha_01.gif (841 bytes)   aceleración de la gravedad en el radio terrestre ecuatoriano R
G signo_aproximadamente-igual.gif (836 bytes) 6,674. 10-11 N m2/kg2   signo_flecha_01.gif (841 bytes)  constante de gravitación universal de Newton (magnitud empírica)
y(R) = yo - g(R).t2/2  
signo_flecha_01.gif (841 bytes)  distancia del suelo
v(R) =
letra_delta.gif (842 bytes)y/letra_delta.gif (842 bytes)t = -g(R).t   signo_flecha_01.gif (841 bytes)   velocidad de la caída
a(R) =
letra_delta.gif (842 bytes)v/letra_delta.gif (842 bytes)t = -g(R)   signo_flecha_01.gif (841 bytes)   aceleración de la caída


Téngase en esto presente que si bien el tiempo del objeto se verá afectado por dos cuestiones: la curvatura espacio-temporal que nos interesa y estamos estudiando, más la expansión temporal debido a la corrección de Lorentz que despreciaremos debido a la baja velocidad v de una caída libre frente a la de la luz.

Vemos que los espacios de la caída
letra_delta.gif (842 bytes)y se van contrayendo y sus tiempos letra_delta.gif (842 bytes)t también manteniendo la fenomenología intrínseca (sin la masa M de perturbación)

letra_delta.gif (842 bytes)y1/letra_delta.gif (842 bytes)t1 < letra_delta.gif (842 bytes)y2/letra_delta.gif (842 bytes)t2 < letra_delta.gif (842 bytes)y3/letra_delta.gif (842 bytes)y3
letra_delta.gif (842 bytes)y1 > letra_delta.gif (842 bytes)y2 > letra_delta.gif (842 bytes)y3
letra_delta.gif (842 bytes)t1 > letra_delta.gif (842 bytes)t2 > letra_delta.gif (842 bytes)t3

Por otra parte la aceleración de la gravedad va aumentando con el menor radio R (recordar que
letra_delta.gif (842 bytes)y << R); vea este dibujo que acompaña por favor

  
g(R/2) = GM / (R/2)2 = 4. g(R) signo_flecha_01.gif (841 bytes)  v (R/2) = 4. v(R)
(...)
g(R/n) = n2. g(R) ==> v(R/n) = n2. v(R)



o bien (vea este otro dibujo)

  
letra_delta.gif (842 bytes)y (R/n) = letra_delta.gif (842 bytes)y(R) / n2



En suma, podemos decir que el espacio contraído que llamamos R´ vale (ver imagen)

R´ = R / n2

n 1 1,154 1,41 2  
R / n2 R/1 0,75R 0,5R 0,25R 0R espacio sin la masa M
R 0,56R 0,25R 0,06R 0 espacio con la masa M
  


Se ha considerado hasta aquí una contracción del espacio dado por el factor 1/n2 para una masa M que es la del planeta Tierra.

  
  
Explicación del porqué los objetos "caen"
   
Nos valdremos de un espacio de sólo dos dimensiones para simplificar y allí supondremos un objeto de masa m que se encuentra viajando a una velocidad v como muestra la figura. Si lo descomponemos en sus partes nos queda

v  =  [vx  vy]T

Ahora pensemos que dicho objeto se encuentra girando en el perímero de una circunferencia donde su velocidad v es tangencial. Al cabo de cierto tiempo habrá rotado un ángulo determinando con ello un nuevo vector que denominamos vo que mantendrá su módulo y sus nuevos componentes son de una manera general los siguientes y que han sido determinados por una matriz de rotación antihoraria R()

vo  =  [vox  voy]T

R()   =  [cos  -sen || sen  cos]

resultando

vox  =  vx cos  -  vy sen
voy  =  vx sen  -  vy cos

donde claramente se ve que tienen componentes hacia el centro de la circunferencia y que van cambiando con el avance de .
  
Bien, si en el centro de la circunferencia ponemos la masa M de la Tierra y es m un objeto apoyado en ella o bien adherido en su atmósfera, estará por tanto girando a la velocidad de rotación terrestre con un velocidad tangencial vo y sus componentes vox y voy se hallan en dirección al centro del planeta.

Dicha velocidad del objeto es de un movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.) y, por su principio inercial, seguirá la trayectoria del menor camino posible; y esto es, debido a sus vectores vox y voy que puntan al centro de la Tierra, a dicho punto central porque la masa M ha contraído su espacio en derredor como hemos demostrado precedentemente. Entonces se dice que "caen".

Así vemos que la denominada "fuerza de gravedad" no es ni más ni menos que el destino al que converge el M.R.U. de una trayectoria debido a la contracción espacial (comúnmente denominada "curvatura relativista") que ofrece una masa M.

Otra forma de entender esto, más sencilla y conceptual tal vez, es que asumamos que así como existe un fuerza centrífuga y velocidad potencial que impulsa al cuerpo hacia fuera, lo hay otra igual y opuesta hacia dentro centrípreta en fuerza y velocidad potencial también y que, debido a la contracción del espacio, se tiende al centro de la Tierra. Un ejemplo utilizado comúnmente para ilustrar una órbita alrededor de un planeta es el cañón de Newton.

Se imagina un cañón situado en lo alto de una montaña que dispara bolas de cañón de forma horizontal. La montaña necesita ser muy alta para evitar la atmósfera terrestre e ignorar los efectos de fricción sobre la bola de cañón.

Si el cañón dispara una bola con una velocidad inicial baja, la trayectoria de la bola se curva e impacta contra el suelo (A). Aumentando la velocidad inicial, la bola de cañón impacta en el suelo cada vez más lejos (B) del cañón, debido a que mientras la bola sigue cayendo, el suelo también se curva. Todos estos movimientos son realmente órbitas en su sentido técnico, ya que describen una trayectoria elíptica alrededor de un centro de gravedad pero que se interrumpe al chocar contra la tierra.


Si se dispara la bola con suficiente velocidad, el suelo se curva al menos tanto como la bola al caer, por lo que la bola de cañón nunca impacta contra el suelo. Se dice que está realizando una órbita sin interrupción o de circunnavegación. Para cada altura sobre el centro de gravedad hay una velocidad específica que produce una órbita circular (C).

Si la velocidad de disparo aumenta más allá de esta velocidad, se producen órbitas elípticas (D). A una velocidad mayor, denominada velocidad de escape, que de nuevo depende de la altura donde se dispara, se produce una órbita infinita (E), primero del tipo parabólica y con velocidades más altas del tipo hiperbólica. En ambos tipos de órbitas infinitas el resultado es que el objeto ha escapado de la
gravedad del planeta y se marcha hacia el espacio.

   
   
Eugenio
10/03/19 - Actualización: 02/05/19
Mar del Plata, Argentina