Las Leyes de la Gravedad: Kepler y Newton

¿Quién descubrió la gravedad?

Desde la antigüedad, mediante la observación de los cielos y las estaciones, muchos sabios en diferentes etapas de la historia se preguntaron cómo se movían las estrellas, cómo funcionaba el cielo y qué reglas determinan la relación entre ellos. 

El hombre siempre ha buscado respuestas a dudas que le han ido surgiendo mediante observación y conocimiento. Algunos de estos hombres que enunciaron diferentes teorías son: Aristóteles, Ptolomeo o Copérnico, todas ellas demostradas con mayor o menor precisión, pero sin probar de forma exacta el funcionamiento de la gravitación. 

No es hasta que Newton enuncia su Teoría de la Ley de Gravitación Universal, apoyándose en gran medida en las Leyes de Kepler, que no se llega a describir una relación proporcional de la fuerza con que se atraen dos objetos con masa.      

Las teorías de la gravedad de Kepler

En este apartado profundizaremos en la figura de Kepler que dedicó toda su vida a demostrar las teorías de Copérnico, las cuales establecen que el Sol es el centro del universo y todos los planetas giran alrededor. 

Johannes Kepler fue un astrónomo y matemático alemán criado en una familia luterana. Tras estudiar teología y astronomía donde se mostró seguidor de las teorías de Copérnico, se unió en el año 1.600 a Tycho Brahe, astrónomo imperial que había desarrollado herramientas muy evolucionadas para su época, además de haber recopilado gran cantidad de información valiosa sobre observaciones planetarias. 

A través de las observaciones de los Planetas y apoyándose en las anotaciones y también en las que su maestro Tycho Brahe había desarrollado y que no compartió con Kepler hasta su muerte, Kepler se propuso perfeccionar las teorías de Copérnico y dar con una lógica que estableciera un patrón exacto del movimiento de los planetas. 

En este momento fue cuando descubrió que para que el modelo copernicano fuera exacto, los planetas no se moverían en círculos, sino en elipses. 

Tras este hallazgo, Kepler enunció entonces sus leyes de la gravedad.  

Primera Ley de Kepler

Todos los planetas se mueven en elipses, no en círculos, con el sol en uno de sus focos.

Mientras que en un círculo tenemos un único punto central a partir del cual se unen el resto de puntos que lo forman, en una elipse tenemos 2 puntos a los cuales se los denomina focos. En uno de estos focos se encontraría el sol y los planetas girarían en torno a él por esta elipse.

Kepler obtuvo esta ley de forma empírica, mediante observación de los movimientos aparentes de los planetas, algo que añade aún más mérito a su azaña. 

Segunda Ley de Kepler

El radiovector posición barre áreas iguales, en tiempos iguales. Esto quiere decir que, si el planeta está lejos del sol, su movimiento será lento, pero si está cerca del sol el movimiento será más rápido para que las áreas sean iguales.

Esto nos indica que los planetas más cercanos al sol se desplazan más rápido, es decir, que tardan menos en dar una vuelta completa a la elipse.

Tercera Ley de Kepler

Esta ley nos dice que el cuadrado del periodo de la órbita es proporcional al cubo del semieje mayor. O traducido, que existe una relación entre periodo y distancia: cuánto más lejos está un planeta del sol, más tarda en darle una vuelta. Esto sucede por 2 razones: la primera es porque va más lento, la segunda es porque tiene que recorrer más distancia.

Kepler llegó incluso a probar una teoría que explicara estas leyes, la teoría de vórtices con el sol como atractor.

Las teorías de la gravitación universal de Newton

Los principios de Newton son la obra más importante de la historia de la ciencia. En esta obra Newton exponía sus leyes de movimiento y su teoría de la gravedad. Una obra que le convertiría en el autor más importante de su era, y es posible que también de todos los tiempos.

De la segunda Ley de Kepler que indica que el radiovector posición barre áreas iguales en tiempos iguales, se puede sacar la siguiente conclusión: el momento angular es constante a lo largo de toda la órbita, se conserva.

Newton dedujo que existía una fuerza central gracias a esta segunda Ley de Kepler.

Gracias a la Tercera dedujo que existía una fuerza que se movía con la inversa del cuadrado de la distancia.

Teniendo en cuenta que es una fuerza que depende de la cantidad de materia, y usando las Leyes de Kepler, Newton descubrió la Ley de la Gravitación Universal: Todos los cuerpos se atraen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Ley que explica el comportamiento del Sistema Solar.

Esta ley no sólo se aplica al movimiento de los planetas, sino a todos los cuerpos que existen en el universo, incluso a aquellos que se encuentran sobre la superficie terrestre.

El trabajo de Newton es imposible de entender sin el trabajo anterior de Kepler. Supuso un salto conceptual muy grande, dando lugar a un cambio de mentalidad profundo y rompiendo con la tradición griega de separación entre cielo y tierra.

El descubrimiento de las ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son deformaciones del espacio-tiempo, ondas invisibles que se producen en el espacio. 

Estas ondas se desplazan a la velocidad de la luz y son generadas por la interacción entre eventos violentos y el rápido movimiento de las masas y pueden contraer o estirar cualquier cosa que encuentren a su paso.

Estas ondas fueron enunciadas por primera vez en 1916 por Albert Einstein. Él creía que el movimiento de los planetas o estrellas orbitando entre sí causaba ondulaciones en el espacio, lo que hoy conocemos como ondas gravitacionales.

Sin embargo, no fue hasta 2015 que los científicos detectaron por primera vez estas ondas. Estas ondas fueron detectadas por un instrumento llamado LIGO (por sus siglas en inglés) y fueron producidas por el choque de 2 agujeros negros entre sí. La colisión entre estos 2 agujeros negros se produjo hace 1,3 millones de años, pero no fue hasta 2015 cuando las ondulaciones llegaron a la Tierra.

Esta detección marcó un antes y después en el mundo de la ciencia, ya que gracias a ello el estudio del universo ha pasado de la exploración de las radiaciones electromagnéticas y partículas fundamentales, a la exploración y estudio de estas ondas gravitacionales.

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