Fundamentos del Campo Gravitatorio y Eléctrico: Interacciones y Propiedades Esenciales

Campo Gravitatorio: Conceptos Fundamentales

Se dice que la masa M crea un campo gravitatorio a su alrededor que actúa sobre una masa de prueba. De esta manera, la acción deja de ejercerse a distancia, siendo el campo el responsable de la acción ejercida sobre la masa de prueba.

El campo juega el papel de mediador en la interacción gravitatoria que Newton reclamaba.

El campo es una entidad física medible y se define la intensidad del campo gravitatorio en un punto como la fuerza ejercida sobre la unidad de masa colocada en ese punto.

Teniendo en cuenta la expresión de la fuerza de atracción gravitatoria, podemos obtener la intensidad del campo gravitatorio en un punto en función de la masa M que crea el campo y la distancia:

Como se puede observar, la intensidad de campo, así definida, establece un vector para cada uno de los puntos del espacio. El campo gravitatorio es un campo vectorial.

El valor del campo gravitatorio en un punto es independiente de la masa de prueba y depende solo de la masa que crea el campo y la distancia a la que esté el punto considerado.

Todos los puntos que estén a una misma distancia de la masa central tendrán un mismo valor para la intensidad de campo.

La distancia se toma siempre desde el centro de la masa.

La intensidad del campo gravitatorio decrece rápidamente con la distancia, ya que es inversamente proporcional a su cuadrado.

El signo menos de la ecuación de definición garantiza que el campo es central.

Potencial Gravitatorio

La fuerza gravitatoria es una fuerza conservativa. En consecuencia, a toda masa situada en su seno se le puede asignar una energía potencial. Basándose en este hecho, se puede definir una nueva magnitud denominada potencial gravitatorio V.

El potencial gravitatorio se define como la energía potencial por unidad de masa colocada en el campo.

Campo Gravitatorio: Líneas de Fuerza y Superficies Equipotenciales

Con el fin de visualizar el campo, se recurre a dibujar las llamadas líneas de campo o líneas de fuerza, que cumplen la condición de que el vector campo es siempre tangente en cualquiera de sus puntos y se trazan de modo que su densidad sea proporcional a la intensidad del campo.

Para una única masa, las líneas de campo son radiales y siempre convergen hacia la masa. Se dice que las masas constituyen sumideros de campo.

Las líneas de fuerza representan las trayectorias que seguiría una masa situada en el campo.

Si hay más de una masa, el campo se distorsiona debido a la superposición de ambos campos.

Las líneas equipotenciales, tal y como se ha dicho, son siempre perpendiculares al vector campo y cuando una masa se desplaza a lo largo de ellas, la fuerza de gravedad no realiza trabajo alguno o, lo que es equivalente, no se requiere aporte alguno de energía para trasladar la masa.

Campo Eléctrico

Según la Ley de Coulomb: la fuerza con que dos cargas se atraen o se repelen es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La Fuerza Eléctrica como Fuerza Conservativa

La fuerza eléctrica, al igual que la gravitatoria, es una fuerza conservativa y como tal, cuando realiza trabajo, se produce una transferencia de energía cinética a potencial o viceversa.

Una carga siempre se mueve espontáneamente en el sentido en el que la energía potencial disminuye.

Tanto la interacción gravitatoria como la eléctrica son consecuencia de la existencia de propiedades inherentes a la materia: masa y carga.

Cuanto mayor es la masa o la carga de dos cuerpos, mayor es su interacción gravitatoria o eléctrica.

Ambas interacciones decrecen muy rápidamente a medida que nos alejamos de la masa o de la carga.

La interacción gravitatoria es siempre atractiva, mientras que la interacción eléctrica puede ser atractiva o repulsiva en función del signo de las cargas.

El pequeño valor de la constante de gravitación universal hace que la fuerza de atracción gravitatoria sea despreciable.

El valor de la constante que aparece en la Ley de Coulomb hace que la fuerza eléctrica sea apreciable incluso cuando consideramos cargas eléctricas muy pequeñas.

La interacción gravitatoria no depende del medio en el que se encuentren las masas, mientras que la naturaleza del medio sí influye en el valor de la interacción eléctrica.

La fuerza eléctrica y la gravitatoria son fuerzas conservativas.