Fundamentos de la Interacción Gravitatoria: Campos, Fuerzas y Energía Orbital

1. Interacción gravitatoria: Concepto de línea de campo

Cualquier campo vectorial, en particular el campo gravitatorio, se puede representar mediante unas líneas llamadas líneas de campo o de fuerza, ya que resulta útil visualizar cómo es el campo en una región determinada del espacio.

Las líneas de campo son líneas tangentes en cada punto al campo gravitatorio. No tienen un origen definido, pero terminan en puntos materiales llamados sumideros. En el caso del campo gravitatorio terrestre, estas líneas son radiales y se dirigen hacia el centro de la Tierra.

Representación del campo

Para representar el campo debemos tener en cuenta lo siguiente:

• Módulo del campo: Viene dado por la densidad de líneas de campo (número de líneas que atraviesan la unidad de superficie colocada perpendicularmente al campo).
• Dirección del campo: Es la línea tangente a la línea de campo en cada punto.
• Sentido del campo: Corresponde al del movimiento de una masa en reposo colocada en dicho punto.

Por tanto, dos líneas de campo nunca podrán cortarse, porque equivaldría a la existencia de dos vectores intensidad de campo en un mismo punto, lo cual es imposible según la propia definición.

2. Fuerzas conservativas

Una fuerza es conservativa cuando realiza un trabajo que no depende de la trayectoria, sino solo de los puntos inicial y final. La fuerza de la gravedad es una fuerza conservativa por ser una fuerza central (su dirección está en la línea que une los dos cuerpos).

3. Justificación de la velocidad de caída

La velocidad de caída de los cuerpos aumenta uniformemente con el tiempo. Cuanta más masa tiene un cuerpo, mayor será su fuerza de gravedad, pero a su vez, se verá menos afectado por la aceleración debido a su inercia. Por eso, los cuerpos de mayor masa no caen más rápidamente.

4. La fuerza gravitatoria como acción y reacción

La fuerza gravitatoria es una fuerza de acción y reacción; es decir, existe una fuerza igual y de sentido contrario a ella. Por eso, la Luna se mantiene en su órbita en un estado de equilibrio dinámico.

5. Energía orbital de un satélite

Poner en órbita un satélite requiere un consumo de energía necesario para colocarlo a la altura deseada, más la energía que hay que comunicarle para que adquiera la velocidad orbital. La energía orbital del satélite se define como la energía mecánica del mismo cuando se encuentra en órbita, esto es, la suma de la energía cinética y la energía potencial gravitatoria.

6. Magnitudes del campo gravitatorio

Un campo de fuerza es una región del espacio donde existe una relación entre cada punto del espacio y una fuerza. El campo gravitatorio, al ser conservativo, se caracteriza por la intensidad y el potencial gravitatorio:

Intensidad del campo gravitatorio

• Implica un campo vectorial y se representa por líneas de fuerza.
• Coincide con la aceleración de la gravedad en dicho punto.
• Es independiente de la masa del cuerpo.
• Las líneas de campo, al ser un campo atractivo, se dirigen hacia las fuentes del campo.

Potencial gravitatorio

• Todos los puntos que equidistan del centro del campo tienen el mismo potencial y forman una superficie equipotencial.