Una fuerza que se opone a la gravedad

Question

Cada acción tiene una reacción igual y opuesta (Tercera ley de Newton).

Si este es el caso, ¿tiene la gravedad una fuerza de oposición igual?

De preguntar por ahí todavía no tengo una respuesta muy clara; aquellos con los que he hablado parecen creer que no hay una - que la gravedad es en realidad una singularidad [una fuerza unidireccional] que de alguna manera "sólo funciona", otros piensan de manera diferente - creyendo que hay es una fuerza opuesta que impide que la gravedad comprima las masas más de lo que ya lo hace.

Entonces, ¿cuál es la respuesta correcta? (¡Si alguna de las dos!)

Answer 1

Sí cada fuerza gravitatoria en la mecánica newtoniana tiene una fuerza igual y opuesta, y normalmente actúa sobre otros masa.

Más específicamente, cada dos pares de masas sienten una fuerza gravitatoria que es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia relativa, pero más importante es el hecho de que ambos las masas sienten la atracción entre sí.

Así, cuando se lanza una bola de ~100g al aire, experimenta una fuerza gravitacional de 1N hacia abajo, y al hacerlo ejerce una fuerza de 1N hacia arriba en la Tierra. La razón por la que no se observa a la Tierra en movimiento es que su aceleración es tan pequeña (del orden de 10 -25 m s -2 ) que se inunde en todo lo demás, pero sucede.

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Ahora bien, es importante señalar que la gravedad no suele ser la única fuerza que actúa sobre cualquier objeto en un momento dado. Si lo es, entonces la fuerza total será distinta de cero y el objeto se acelerará (según la Segunda Ley de Newton). Por el contrario, si un objeto no se está acelerando, entonces la fuerza neta sobre él es cero, y debe haber fuerzas adicionales que anulen la gravitatoria.

Para un libro que está sobre una mesa, por ejemplo, el peso es cancelado por la fuerza de reacción ascendente de la mesa. (Y, por supuesto, esto da una fuerza de reacción añadida hacia abajo del libro sobre la mesa, que se cancela por una fuerza de reacción correspondientemente mayor desde el suelo de la mesa).

De manera similar, la razón por la que las masas (como, por ejemplo, el interior de la Tierra) no se comprimen más es que cualquier volumen dado de roca será accionado por la fuerza gravitatoria descendente y por la presión ascendente de las rocas que están debajo de ella.

Answer 2

Supongamos que estás parado en una caja como se muestra en (a) abajo:

Hay cuatro fuerzas actuando. Aplicas una fuerza descendente $mg$ en la parte superior de la caja, y por la tercera ley de Newton la caja aplica una fuerza ascendente $-mg$ en ti. La caja transmite tu fuerza al suelo, así que la caja aplica una fuerza descendente $mg$ en el suelo y el suelo aplica una fuerza ascendente $-mg$ en la base de la caja.

Hasta ahora todo bien. Pero, ¿cómo se supone que de repente saquemos la caja como en b). Todavía hay una fuerza descendente $mg$ sobre ti, y de hecho esa fuerza va a hacer que caigas hacia abajo. La pregunta es si hay una fuerza igual y opuesta hacia arriba.

La respuesta es que sí, hay una fuerza igual y opuesta de $-mg$ en la Tierra, así que la tercera ley de Newton todavía se aplica. La confusión surge porque normalmente pensamos que la fuerza de acción y reacción operan en el mismo punto. Así que en a) hay un par de fuerzas iguales y opuestas en la parte superior de la caja y otro par de fuerzas iguales y opuestas en la base de la caja. Pero ahora parece que tenemos la acción y la reacción separadas en el espacio.

Con la gravedad newtoniana sólo tienes que aceptar que hay un campo gravitatorio entre tú y la Tierra, y este campo transmite la fuerza sobre ti al suelo y la fuerza del suelo a ti. Para entender realmente lo que está pasando necesitas entender la relatividad general. Esto nos dice que la Tierra curva el espacio-tiempo y esto crea la fuerza descendente sobre ti, sin embargo tu masa también curva el espacio-tiempo y esto crea una fuerza ascendente sobre la Tierra.

Answer 3

Mis conocimientos sobre el tema son limitados, pero normalmente se evita que la materia se colapse bajo el peso de la gravedad extrema por la degeneración de las partículas. Esto es lo que impide que las estrellas de neutrones colapsen en agujeros negros y es el resultado de partículas que se resisten a ocupar los mismos estados cuánticos.

También hay algunas observaciones recientes que indican que existe una fuerza repulsiva que actúa sólo a grandes distancias (casi al revés que la gravedad) y que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado. Por qué ocurre esto es todavía un tema de debate y hay varias teorías de la topografía del espacio mismo que hacen que la gravedad actúe repulsivamente a una fuerza aún no descubierta causando esto.

Answer 4

En el caso de un libro que se encuentra sobre una mesa, por ejemplo, el peso es cancelado por la fuerza de reacción ascendente de la mesa.

Eso no es del todo cierto a menos que la mesa en una cámara de vacío en el polo sur. La fuerza normal ascendente ejercida por la mesa y la fuerza gravitacional descendente ejercida por la Tierra no se cancelan del todo. El libro rota con la Tierra, y excepto en el polo norte o sur, esta rotación significa que el libro se está acelerando. Es una aceleración bastante pequeña, alrededor del 0,35% g en el ecuador, pero no es cero. Esto significa que la fuerza neta sobre el libro no es cero, y eso a su vez significa que el peso del libro no está del todo cancelado por la mesa. ¿Qué pasa con la cámara de vacío? La fuerza de flotación del aire sobre el libro es de alrededor del 0,15% g . Esto significa que la fuerza normal ascendente en el libro por la mesa es alrededor de 0,5% menos que el peso del libro (en el ecuador).

La tercera ley de Newton dice que las fuerzas en un par acción-reacción son iguales pero opuestas. Las fuerzas que son sólo aproximadamente iguales y aproximadamente opuestas no califican como un par acción-reacción de la tercera ley.

... otros lo piensan de manera diferente - creyendo que hay una fuerza opuesta que impide que la gravedad comprima las masas más de lo que ya lo hace.

La gravedad puede comprimir bastante las masas. La densidad de la materia (principalmente hidrógeno) en el centro de nuestro Sol es unas 150 veces la densidad del agua. Más cerca de casa, la densidad de la materia (mayormente hierro) en el centro de la Tierra es unas 13 veces la densidad del agua. Eso es alrededor de 2/3 mayor que la densidad del hierro en la superficie de la Tierra. Ese aumento de la densidad se debe a que el hierro en el núcleo interno de la Tierra se ha comprimido bastante. La roca en el límite entre el núcleo y el manto es considerablemente más densa que la misma roca en la superficie de la Tierra.

La presión desde abajo no es lo que contrarresta la gravedad dentro de la Tierra. Lo que contrarresta la gravedad es la flotabilidad. Imaginen un trozo de roca en lo profundo de la Tierra. La presión en la parte superior de la roca es ligeramente menor que la presión en la parte inferior de la roca debido al equilibrio hidrostático. Este gradiente de presión da como resultado una fuerza de flotación que mantiene el trozo de roca donde está.

Lo que impide que la presión comprima un trozo de hierro o roca dentro de la Tierra en la nada es un efecto mecánico cuántico. Los electrones son empujados cada vez más cerca con una mayor presión. Esos electrones no pueden compartir el espacio gracias al principio de exclusión de Pauli. El material se comprime con el aumento de la presión, pero esta compresión se detiene en el punto donde la presión mecánica cuántica equilibra la presión externa.

Answer 5

Supongamos que una persona está cayendo hacia la tierra. Sabemos que hay una fuerza y por lo tanto una aceleración actuando sobre la persona. La fuerza opuesta es la fuerza gravitatoria ejercida por la persona sobre la tierra de igual magnitud (Ley de la Gravedad de Newton). Esta fuerza produce una aceleración (Segunda Ley de Newton) pero debido a que la masa de la tierra es masiva en comparación con el cuerpo humano, es relativamente pequeña y puede ser tomada como cero. Sumando estas dos fuerzas se obtiene una resultante neta de cero, (Tercera Ley de Newton).