Dinámica Celeste y Gravitación Universal: Las Leyes de Kepler y la Revolución de Newton

Leyes de Kepler: El Movimiento Planetario

Las Leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol, estableciendo que estos giran describiendo órbitas elípticas.

1. Primera Ley (Ley de las Órbitas)

   Todos los planetas se mueven alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas. El Sol se encuentra situado en uno de los focos de la elipse.

2. Segunda Ley (Ley de las Áreas)

   Los planetas se mueven con velocidad areolar constante (el radio vector que une el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales).

3. Tercera Ley (Ley de los Periodos)

   Para todos los planetas, la razón entre el cuadrado de su periodo orbital ($T^2$) y el cubo de la distancia media al Sol ($d^3$) es una constante ($k$). Matemáticamente: $T^2 / d^3 = k$ (constante).

Dinámica del Universo: La Aportación de Isaac Newton

Isaac Newton fue el científico que encontró la respuesta definitiva a la cuestión de la dinámica de los planetas. La historia popular relata la anécdota de que se le ocurrió el razonamiento observando la caída de una manzana.

Newton comprendió que la manzana caía debido a la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre ella. Extrapolando este concepto al cosmos, concluyó:

• Los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas.
• El Sol ejerce sobre los planetas una fuerza de atracción gravitatoria que provoca que estos giren en torno a él.

Finalmente, Newton concluyó que la Fuerza de Atracción Gravitatoria es Universal.

Consecuencias de la Ley de Gravitación Universal

La Ley de Gravitación Universal justifica numerosos fenómenos naturales, desde el peso de los cuerpos y las mareas, hasta aplicaciones más modernas como el funcionamiento de los satélites artificiales.

La Fuerza del Peso

El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre los cuerpos que se encuentran en sus proximidades.

Características de la Fuerza del Peso (Equilibrio)

La fuerza del peso es un vector que posee las siguientes características:

• Módulo: Su magnitud.
• Dirección: La línea que une el centro de los dos cuerpos que se atraen.
• Sentido: El que indica la fuerza de atracción, dirigido hacia el centro de la Tierra.
• Punto de Aplicación: En el centro de gravedad del cuerpo.

Los Ciclos de las Mareas

Las mareas son el movimiento cíclico de subida (pleamar) y bajada (bajamar) del nivel del agua del mar, que se produce de forma regular dos veces cada día.

Newton explicó que las mareas son el resultado de la atracción gravitatoria que principalmente la Luna (y en menor medida el Sol) ejerce sobre la Tierra.

Modelos Cosmológicos Históricos

Modelos Geocéntricos: El Modelo de Ptolomeo

En el modelo geocéntrico, la Tierra permanece fija en el centro del universo, y los demás astros giran a su alrededor. En el modelo de Ptolomeo, la Tierra está en el centro, y alrededor giran el Sol, la Luna y los planetas.

Modelos Heliocéntricos

Modelo de Aristarco de Samos

Aristarco propuso que el Sol está en el centro del universo, y la Tierra, la Luna y los otros cinco planetas giran en torno a él, con diferentes velocidades y en órbitas de distintos radios. Este sistema estaba contenido dentro de una esfera de estrellas fijas.

Modelo de Copérnico

Nicolás Copérnico situaba al Sol en el centro del universo. La Tierra y los demás planetas giraban a su alrededor en órbitas circulares. La Luna, por su parte, giraba alrededor de la Tierra.

La Contribución de Galileo Galilei a la Astronomía

Mediante el uso del telescopio, Galileo Galilei realizó descubrimientos cruciales que apoyaron el modelo heliocéntrico y revolucionaron la comprensión del cosmos:

• Descubrió que la Luna tiene valles y montañas, demostrando que no era una esfera perfecta.
• Observó que Venus muestra fases, al igual que la Luna, lo cual solo es posible si Venus orbita alrededor del Sol.
• Determinó que la Vía Láctea está formada, en realidad, por numerosas estrellas.
• Observó manchas oscuras en el Sol (manchas solares) que contrastan con su superficie brillante.
• Descubrió que Júpiter tiene varios satélites girando a su alrededor (lunas galileanas).
• Descubrió los anillos de Saturno (aunque inicialmente los interpretó como “asas” o cuerpos cercanos).