De les quatre forces de la natura, la gravetat és aquella que primer es va quantificar en un model físic. En la nostra vida acadèmica aquest model se'ns presenta en segon de batxiller mitjançant la famosa equació gravitacional de Newton:
D'aquesta equació podem extraure diverses conclusions, però la que ens interessa a aquest article és que la gravetat és una força radial. Què vol dir açò? Tractem de visualitzar-ho amb un exemple:
Imaginem-nos que estem flotant a l'espai exterior i veiem la Terra des de lluny. Segons l'equació de Newton aquesta ens atrau cap a ella mitjançant la força de la gravetat. Aquesta atracció es donaria en la línia recta que ens uneix a nosaltres i al centre de la Terra. Si ara situem el nostre sistema de referència amb origen en el centre de la Terra (origen de la força que actua a aquest cas), la força gravitatòria sempre unirà el nostre origen de coordenades amb la nostra posició.
Per tant, les forces que actuen en la direcció de la recta que uneix l'origen de la força amb el cos sobre el qual actua dita força són forces radials.
Per a entendre les implicacions que té el fet de que una força siga radial, haurem d'emprar el concepte de treball. El treball no és més que el producte escalar d'una força que actua sobre un cos pel desplaçament que experimenta aquest degut a l'acció de la força:
Retornant a l'exemple que havíem vist abans, anem a calcular el treball que realitza la força gravitatòria al desplaçar-se el nostre cos. Primer considerarem que ens desplacem certa distància en direcció radial cap a la Terra. En el nostre sistema de referència tindrem -𝜟s. Així, el treball realitzat per la gravetat en aquest camí serà:
Seguidament, considerarem que una vegada ens hem desplaçat tornem al punt inicial. En el nostre sistema de referència tindrem 𝜟s i la força gravitatòria continuarà sent la mateixa. Així, el treball realitzat per la gravetat en aquest nou camí serà:
Si volem calcular el treball total que ha realitzat la gravetat simplement hem de sumar el treball realitzat per als dos camins:
Podem adonar-nos de que el treball total és nul. Si tenim una força radial, el treball realitzat per aquesta al allunyar-nos d'un punt i tornar a aquest és sempre nul. A les forces que tenen treball nul en un camí tancat els diem forces conservatives. La gravetat és una força conservativa. A més, les forces conservatives tenen associades un tipus concret d'energia, l'energia potencial (Ep). Per al cas de la gravetat tenim:
Així, podem definir una nova magnitud, l'energia mecànica (Em):
Aquesta energia no és més que la suma de l'energia potencial i la cinètica (Ec=(1/2)m·v^2). El que ens interessa de l'energia mecànica és que baix l’acció de les forces conservatives és constant.És a dir, per molt que ens desplacem baix l'acció d'una força conservativa, l'energia mecànica sempre tindrà el mateix valor.
Aquesta conservació de l'energia mecànica no es dona en les forces no conservatives. Per a veure un exemple de força no conservativa anem a retornar a l'exemple d'abans i canviar-nos a nosaltres per un coet. També anem a imaginar-nos que aquest coet es troba orbitant a la Terra, és a dir, està girant sobre ella a una certa velocitat i a una certa distància. Si el coet vol canviar d'òrbita, el que haurà de fer és canviar la seua velocitat de gir. Per a fer-ho, haurà d'activar els seus propulsors (considerem que vol anar a una òrbita més llunyana) de forma que es cree una força perpendicular a la recta que l'uneix amb el centre de la Terra. Aquesta força serà no radial i l'anomenarem força de propulsió (Fp). Si el coet es mou una certa distància emprant està força tindrem:
Ara considerem que es mou en el sentit contrari per a retornar a la seua posició inicial. En aquest cas tindrem -𝜟s , però a més, la força de propulsió també canviarà de signe:
Calculant el treball total:
Com el treball total és distint de zero i el camí és tancat, concloem que la força de propulsió és una força no conservativa.
Tenint tot açò en compte, podem adonar-nos de que, quan canvia d'òrbita un coet, no es conserva l'energia mecànica. Així doncs, tindríem dos tipus de moviments on actua la gravetat:
-Moviments no orbitals. Es conserva l'energia mecànica.
-Moviments orbitals. Si canviem d'òrbita no és conserva l'energia mecànica.
Encara que l'energia mecànica no es conserve en els moviments orbitals cal assenyalar que l'energia total aplicada sobre el sistema sí es conserva. És a dir, l'energia deguda a la força de propulsió es veurà transformada en energia cinètica. Per tan, és important adonar-se de que quan actuen forces no conservatives s’afegirà o es pedra energia mecànica al nostre sistema. Aquest energia no sorgeix del no res, en el cas de la propulsió l’energia ve donada per reaccions de combustió que es duen a terme. Així, tenim que no s’ha conservat l’energia mecànica però tampoc hem generat energia de forma espontània.
Amb tot açò en ment, podem plantejar certes preguntes. Sabent que la Lluna es troba orbitant a la Terra en un òrbita circular a una distància d'uns 384 000 km, que la seua massa és d'uns 7,35·10^22 kg i que la massa de la terra és unes 81,25 vegades major que la de la Lluna, quina serà l'energia mecànica de la Lluna? Quina seria la seua energia mecànica si augmentarem en un 10% el radi de la seua òrbita? Quanta energia hem d'haver aplicat per a fer-ho? Afectaria aquest desplaçament a algun fenomen terrestre, com per exemple, les marees?
Estudiant del grau de Física. Especialment interessat per l'astrofísica i la física teòrica. Aficionat al dibuix i al boxeig.