Ciencias Exactas y Naturales

PK-EN-257-QZ Los planetas. ¿Por qué los Planetas orbitan alrededor del sol?

Educación de calidad

Asesor: JESSICA DANIELA CERVANTES MARTÍNEZ

Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)

Resumen

Los planetas giran alrededor del sol porque, ya desde su formación que dio lugar al Sistema Solar, tienen una fuerza de inercia asociada que los llevaría a moverse indefinidamente en línea recta, pues en el vacío espacial, no hay fricción.

Esta inercia se ve contrarrestada por la fuerza de la gravedad, y los llevaría a precipitarse sobre el sol. Si esto no sucede es porque ambas fuerzas luchan y, dependiendo del equilibrio, el planeta orbitará a una distancia mayor o menor respecto al Sol.

La fuerza de la gravedad disminuye conforme a más distancia del centro de masas estemos. Y la inercia depende de muchos factores, tanto de la masa como de la velocidad de rotación del planeta, así como de su tamaño.

Cada planeta, dependiendo de la combinación de los siguientes parámetros; distancia al Sol, masa, velocidad de rotación, tamaño, etc., tendrá que girar a una velocidad determinada. Y como cerca del Sol, la gravedad es mayor, la velocidad también tiene que ser mayor. Hay que encontrar el equilibrio. De ahí que Mercurio, el planeta más cercano, tarde 88 días en dar la vuelta al Sol; la Tierra, 365 días; y Neptuno, el más alejado, 165 años.

Si la velocidad de traslación (alrededor del Sol) fuera menor, la inercia no sería suficiente para compensar, por lo que se precipitaría sobre el Sol. Y si fuera mayor, la inercia superaría a la fuerza de la gravedad, por lo que el planeta saldría despedido hacia los confines del espacio.

Pregunta de Investigación

¿Por qué los planetas orbitan al sol?

Planteamiento del Problema

Los planetas realizan movimientos de rotación y traslación. Giran alrededor del sol siguiendo una trayectoria y distancia misma que deben de seguir a determinada velocidad.

Antecedentes

¿Qué es el Sistema solar?

El Sistema Solar es el contexto planetario en donde se encuentra nuestro planeta Tierra: un circuito en donde ocho planetas orbitan constantemente a una única estrella, el Sol.

Claro que el nuestro no es el único sistema planetario que existe. Existen sistemas de fuerzas dinámicas en torno a la gravedad de una o más estrellas a lo largo y ancho de la galaxia y del universo, así que es relativamente seguro asumir que existan incalculables sistemas semejantes.

Nuestro Sistema Solar forma parte de la Nube Interestelar Local, dentro de la Burbuja Local del brazo de Orión, ubicada a unos 28.000 años luz del centro brillante de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Se calcula que se haya formado hace 4568 millones de años, como consecuencia del colapso de una nube molecular en, dando origen a un Disco circunestelar o protoplanetario, es decir, un conjunto desordenado de materia rodeando al Sol en forma de anillos. De allí se habrían constituido los distintos planetas y objetos astronómicos de nuestro vecindario espacial.

Los objetos del Sistema solar, como en otros sistemas planetarios, se mantienen en una orbita elíptica alrededor del astro más grande y, por lo tanto, de mayor gravedad del sistema.

En nuestro caso, claro, se trata del Sol, una estrella tipo-G de 1.392.000 kilómetros de diámetro total, que contiene el 99,86% de la masa total del Sistema Solar.

Objetivo

Dar por que los planetas no se salen de su órbita.

Justificación

Elegí este por que de pequeño yo investigaba mucho de los planetas y me interesa investigar su órbita al sol.

Hipótesis

Si conocemos la forma en que los planetas giran alrededor del sol entonces podremos saber por qué no se caen.

Método (materiales y procedimiento)

Para el desarrollo de este proyecto lo realice específicamente en investigación documental revisando paginas relacionadas al tema en internet.

¿Cómo está formado el sistema solar?

Como se ha dicho, en el centro mismo del Sistema solar está el Sol, una estrella enana amarilla de luminosidad V, y el único astro que emite luz propia en el conjunto. A su alrededor orbitan ocho planetas de distinto tamaño y a distintas distancias, trazando a su paso trayectorias elípticas.

De igual manera existe un campo abundante de asteroide, en un cinturón que hay luego de Marte, y otro mucho mayor luego de Neptuno. Además, existen asteroides en los anillos que rodean a los grandes planetas exteriores como Saturno y Urano.

Deben mencionarse también los satélites naturales, como nuestra Luna, o las lunas de Marte: Deimos y Phobos, los cuales son abundantes en los planetas exteriores: Júpiter y Saturno poseen 63 y 61 respectivamente, mientras que Neptuno y Urano tienen 27 y 13.

Por último, existe una serie de objetos transneptunianos, los más lejanos del Sol del sistema, cuyo poco impacto de la luz solar hace difíciles de estudiar, pero que hipotéticamente serían tres:

  • El Cinturón de Kuiper. Una maraña de cuerpos celestes que orbitan lejanamente al Sol, y de entre los cuales podrían nacer los cometas de corto período que nos visitan de vez en cuando. Plutón y su satélite Caronte se consideran los objetos más grandes de este grupo.
  • El Disco Disperso. Una región del espacio solapada con el Cinturón de Kuiper y que se extiende hasta una distancia desconocida, alejándose del Sol. Allí habría un número incierto de objetos astronómicos, que se estiman alrededor de 90.
  • La Nube de Oort. Una nube esférica de cuerpos celestes, ubicada casi a un año luz del Sol, cien veces más lejos que el Cinturón de Kuiper. Se supone que allí habría entre uno y cien billones de objetos, que suman una masa total cinco veces superior a la terrestre.

Fig. 1 Sistema solar.

 

¿Qué es la fuerza de gravedad?

La fuerza de gravedad (o simplemente «gravedad») es una de las interacciones fundamentales de la naturaleza, que hace que cuerpos dotados de masa se atraen entre sí con mayor intensidad en la medida en que sean más voluminosos o estén más cerca unos de otros. El principio que rige esta interacción se conoce como “gravitación” o “interacción gravitatoria”, y responde en física a lo descrito por la Ley de Gravitación Universal.

Se trata de la misma atracción que ejerce la Tierra sobre los cuerpos y objetos que están cerca de ella, nosotros incluidos, y que hace a las cosas caer. También determina los movimientos de los astros espaciales (planetas orbitando al Sol o lunas y satélites artificiales orbitando a su vez dichos planetas.

A diferencia de las otras interacciones fundamentales en el Universo (que son las fuerzas nucleares fuertes y débiles, y el electromagnetismo), la fuerza de gravedad predomina inexplicablemente a lo largo de enormes distancias, mientras las demás se dan en distancias mucho más cortas.

La gravedad se estudia en distintos marcos teóricos dependiendo de si se trata de un enfoque mecánico (clásico) o relativista. Usualmente las unidades que se utilizan para trabajar con la gravedad son las unidades de peso como los kilogramos de fuerza, o los Newtons (N). Esto se debe a que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad que la fuerza gravitatoria de la Tierra ejerce sobre él. Es decir, no hay que confundir gravedad con fuerza gravitatoria. La gravedad es una aceleración y no una fuerza como el peso.

La aceleración de la gravedad en la superficie terrestre alcanza unos 9,80665 m/s2.

¿Quién descubrió la fuerza de gravedad?

La fuerza de gravedad no fue propiamente “descubierta”, ya que se conocen sus efectos desde los principios de la humanidad y el pensamiento. Sin embargo, la Ley de gravitación universal que la explica y permite calcularla fue propuesta por Isaac Newton en 1687, supuestamente tras recibir el impacto de una manzana en la cabeza, mientras reposaba en la campiña inglesa.

Este episodio le habría revelado al científico inglés que la misma fuerza que hace caer las cosas al suelo, mantiene a los planetas en su órbita respecto al Sol y a sus satélites respecto a ellos. Este fue un punto de inflexión en la historia de la física moderna.

Posteriormente, el físico Albert Einstein en el siglo XX, basándose en Newton y en sus propios hallazgos, postuló su Teoría de la Relatividad General, en la que reformuló algunos aspectos de la gravitación newtoniana.

Así se inauguró una nueva perspectiva sobre la gravedad, denominada «relativista». Según ella, la gravedad no es una medida de fuerza universal, sino variable, y no solo afecta al espacio sino también al tiempo.

Ejemplos de la fuerza de gravedad

La fuerza de gravedad puede estudiar en los siguientes ejemplos:

  • La caída libre de un cuerpo en la superficie terrestre. La masa del planeta nos atrae a ella y actúa sobre nuestra masa imprimiendo una aceleración. Por eso, un objeto que cae durante un minuto impacta más fuerte que uno que lo hace durante un segundo.
  • Un objeto arrojado hacia el cielo. Una bala de cañón, por ejemplo, volará en línea recta hasta sufrir una pérdida de aceleración, fruto de la fuerza de gravedad, curvando su trayectoria. Cuando ésta supere a la fuerza inicial de la explosión, el objeto caerá y dejará de moverse.

Fig. 2 Fuerza de gravedad.

 

La orbitación de la luna alrededor de nuestro planeta.

Este movimiento se debe a que la luna está atrapada en el campo gravitatorio de la Tierra, a una distancia tal que ni puede alejarse en línea recta, ni puede desplomarse hacia nosotros y caer.

 

La caída de meteoritos.

Atraídos por su enorme fuerza de gravedad, muchos meteoritos ingresan a la atmosfera de Júpiter, Saturno y otros planetas muy masivos, arrancados de su órbita natural alrededor del Sol.

 

Campo gravitatorio

Te explicamos qué son los campos gravitatorios y cómo se mide su intensidad. Además, ejemplos de campo gravitacional.

Se llama campo gravitatorio o campo gravitacional al conjunto de fuerzas que representa, en física, a lo que comúnmente denominamos fuerza de gravedad: una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. La fuerza gravitatoria es una fuerza atractiva entre objetos masivos.

De acuerdo con la lógica de los campos gravitatorios, la presencia de un cuerpo de masa M genera en el espacio a su alrededor un campo de fuerzas gravitacionales que puede alterar la trayectoria de objetos masivos bajo su influencia.

De hecho, si otro cuerpo de masa M se aproxima al campo gravitatorio de M, notaremos que su movimiento es alterado por la fuerza de gravedad. Y, según la teoría de la relatividad, incluso el tiempo mismo sería afectado por dichas fuerzas, distorsionándolo y dando lugar a singularidades como los agujeros negros, objetos astronómicos cuyos campos gravitatorios son tan fuertes que ni siquiera la luz logra escapar de ellos.

Los campos gravitacionales fueron durante muchos años de naturaleza eminentemente teórica, comprendidos por la física clásica (newtoniana) como un campo vectorial, y por la física relativista como un campo tensorial de segundo orden, pero el descubrimiento en 2016 de las ondas gravitacionales por parte de los científicos del experimento LIGO parece arrojar nuevas luces en esta materia.

 

Intensidad del campo gravitatorio

La intensidad de los campos gravitatorios o, lo que es lo mismo, la aceleración de la gravedad (o simplemente gravedad) se representa en física clásica mediante el símbolo g y como un campo de vectores, es decir, de líneas dotadas de sentido y dirección.

Comúnmente se define como la fuerza por unidad de masa que experimentará una partícula determinada en presencia de una distribución de masa. Suele expresarse en Newtons por kilogramo (N/kg).

La fórmula para su cálculo, entonces, sería:

g = lim m→0 F/m, donde m sería una masa de prueba y F la fuerza gravitacional actuando sobre ella.

 

Potencial gravitatorio

El potencial gravitatorio de un campo gravitacional es, en la mecánica newtoniana, una magnitud escalar que se mide en julios por kilogramo (J/kg) y que se define como la cantidad de trabajo por unidad de masa necesaria para transportar un cuerpo a una velocidad constante desde el infinito hasta un punto determinado del campo gravitatorio en cuestión.

El potencial gravitatorio se calcula en base a la siguiente fórmula:

V = – GM/r, donde V es el potencial gravitatorio, G es la constante de gravitación universal y r es la distancia desde el punto en que queremos calcular el potencial hasta la posición de la masa M.

Fig. 3 Campo gravitatorio

 

Ejemplos de campo gravitatorio

Un perfecto ejemplo de campo gravitacional es el del Sistema Solar, en el que los planetas orbitan alrededor del Sol, atraídos por las fuerzas gravitacionales de su masa.

Otro ejemplo es el campo gravitacional terrestre, el que genera el planeta Tierra a su alrededor y que podemos apreciar cada vez que dejamos caer un objeto al suelo. La masa de la Tierra es aproximadamente 5974 x 1024 kg, con lo cual genera un campo gravitatorio notable a su alrededor.

Se sabe que la gravedad terrestre es más o menos de 9,8 N/kg, es decir, una aceleración de 9,8m/s en dirección al centro de la Tierra. Este valor puede oscilar mínimamente dependiendo de la ubicación geográfica, pero suponerlo constante en toda la superficie de la Tierra es una muy buena aproximación.

Además, el campo gravitatorio será más intenso en las inmediaciones de la superficie terrestre, que en las capas externas de la atmosfera.

Fig. 4 Sistema solar y su campo gravitacional.

 

Orbita

 

¿Qué es una órbita?

 

En física, la órbita es la trayectoria descrita por un cuerpo alrededor de otro, en torno al cual gira por acción de una fuerza central, como lo es la fuerza gravitatoria en el caso de los astros celestes.

 

Se trata de la trayectoria que traza un objeto al moverse en torno a un centro de gravedad por el cual es atraído, en principio sin llegar nunca a impactar con él, pero tampoco a alejarse del todo.

 

Las órbitas son desde el siglo XVII (cuando Johannes Kepler e Isaac Newton formularon las leyes físicas básicas que las rigen) un concepto importante para el entendimiento del movimiento en el universo, especialmente en lo que atañe a los astros celestes y también a la química subatómica.

 

Una órbita puede tener diversas formas, ya sea elíptica, circular o elongada, y puede ser parabólica (con forma de parábola) o hiperbólica (con forma de hipérbola). Del modo que sea, toda órbita comprende los siguientes seis elementos keplerianos:

 

  • Inclinación del plano de la órbita, representado con el signo i.
  • Longitud del nodo ascendente, representado con el signo Ω.
  • Excentricidad o grado de desviación de una circunferencia, representado con el signo e.
  • Eje semieje mayor, o la mitad del diámetro más largo, representado con el signo a.
  • Argumento del perihelio o periastro, el ángulo que va del nodo ascendente al periastro, representado con el signo ω.
  • Anomalía media de la época, o la fracción de tiempoorbital transcurrida y representada como ángulo, representado con el signo M0.

 

Órbita elíptica

 

Una órbita elíptica es aquella que, en lugar de un círculo, traza una elipse, o sea, una circunferencia achatada y alargada. Esta figura, la elipse, posee dos focos, en donde estarían los ejes centrales de cada uno de los dos círculos que la componen; además, este tipo de órbita tiene una excentricidad mayor que cero y menor que uno (0 equivale a una órbita circular y 1 a una parabólica).

 

Toda órbita elíptica posee dos puntos notables:

 

  • El punto más cercano de la trayectoria orbital al cuerpo central en torno al cual se traza la órbita (y ubicado en uno de los dos focos).

 

  • El punto más lejano de la trayectoria orbital al cuerpo central en torno al cual se traza la órbita (y ubicado en uno de los dos focos).

 

Fig. 5 Órbita elíptica

 

Órbitas del Sistema Solar

 

Las órbitas descritas por los astros de nuestro Sistema Solar son, como en la mayoría de los sistemas planetarios, de tipo más o menos elíptico. En el centro está la estrella del sistema, nuestro sol, cuya gravedad mantiene a los planetas en movimiento; mientras que los cometas en sus respectivas órbitas parabólicas o hiperbólicas en torno al Sol no tienen un lazo directo con la estrella. Por su parte, los satélites de cada uno de los planetas también trazan órbitas alrededor de cada uno, como hace la Luna con la Tierra.

 

Sin embargo, los astros se atraen también entre sí, generando perturbaciones gravitacionales mutuas, haciendo que las excentricidades de las órbitas varíen con el tiempo y entre sí. Por ejemplo, el planeta Mercurio es el de órbita más excéntrica, quizá por estar más cerca del Sol, pero le sigue en la lista Marte, mucho más lejos. Venus y Neptuno, por otro lado, poseen las órbitas menos excéntricas de todas.

Fig. 6 Plano orbital de los planetas.

 

Órbita de la Tierra

La Tierra, como sus planetas vecinos, orbita el Sol en una trayectoria ligeramente elíptica, que tarda 365 días aproximadamente (un año) y que denominamos movimiento de traslación. Dicho desplazamiento ocurre a unos 67.000 kilómetros por hora.

Al mismo tiempo, existen alrededor de la Tierra cuatro tipos de órbitas posibles, por ejemplo, para los satélites artificiales:

  • Órbita baja (LEO).De 200 a 2.000 km de la superficie planetaria.
  • Órbita media (MEO).De 2.000 a 35.786 km de la superficie planetaria.
  • Órbita alta (HEO).De 35.786 a 40.000 km de la superficie planetaria.
  • Órbita geoestacionaria (GEO). A los 35.786 km de la superficie planetaria. Esta es la órbita sincronizada con el ecuador terrestre, dotada de excentricidad nula y a la que un objeto luce inmóvil en el cielo para los observadores terrestres.

Fig. 7 Orbita de la tierra

  

Traslación de la Tierra

¿Qué es la traslación de la Tierra?

La traslación de la Tierra es uno de los movimientos que realiza el planeta y consiste en dar la vuelta alrededor del Sol. Tarda 365 días y 6 horas en completar el trayecto.

Cada cuatro años, esas horas se suman y dan un total de 24 horas. Esa la razón por la que, cada cuatro años, contamos con un año bisiesto en nuestro calendario, en el que el mes de febrero tiene un día más.

El movimiento de traslación ocurre en la orbita terrestre y alcanza un recorrido de 930 millones de kilómetros. Si bien la distancia promedio entre la Tierra y el Sol es de 150 millones de kilómetros, la órbita en forma de elipse u óvalo genera que, en algunos tramos, la Tierra se encuentre más cerca del Sol y en otros, más alejada. Esas distancias provocan diferencias climáticas sobre el planeta que dan origen a las estaciones del año.

Fig. 8 Traslación de la Tierra

 

Velocidad de traslación de la Tierra

Debido a que la Tierra se mueve sobre su órbita que es elíptica, la velocidad del movimiento de traslación no es constante, tiene una leve variación.

Se estima que la velocidad de traslación aproximada es de 107.000 kilómetros por hora. Nosotros no la sentimos debido a la fuerza de gravedad de la Tierra, que atrae como un imana todo lo que está sobre la superficie terrestre.

 

Consecuencia del movimiento de traslación.

La consecuencia principal del movimiento de traslación de la Tierra es:

La sucesión de las estaciones del año; la energía del Sol calienta la superficie del planeta con diferente intensidad, dependiendo de la inclinación del eje terrestre.

Por eso, durante el movimiento de traslación, cuando la Tierra está más alejada del astro luminoso los rayos impactan de modo directo y con mayor intensidad de la energía.

En cambio, cuando la Tierra está cerca del Sol los rayos se proyectan en forma de curva, lo que causa una pérdida en la intensidad de la energía.

Esas variaciones producen diferentes temperaturas que dan origen a las cuatro estaciones del año.

  • La estación comienza con el equinoccio de primavera, entre el 20 y el 21 de marzo en el hemisferio norte, y entre el 22 y el 23 de septiembre en el hemisferio sur.
  • Es la estación más calurosa y se inicia con el solsticio de verano, el 21 de junio en el hemisferio norte y el 21 de diciembre en el hemisferio sur.
  • Otoño. Comienza en el hemisferio norte con el equinoccio de otoño, alrededor del 23 de septiembre en el hemisferio norte y el 21 de marzo en el hemisferio sur.
  • Es la estación más fría que comienza con el solsticio de invierno, entre el 20 y el 23 de diciembre para el hemisferio norte, y entre el 20 y el 23 de junio para el hemisferio sur.

En las regiones del ecuador el clima es tropical durante todo el año porque los rayos del Sol se proyectan de manera directa, sin demasiadas alteraciones. Solo se producen dos estaciones que se diferencian por la intensidad de las lluvias: la estación seca y la estación lluviosa.

 

Fig. 9 Estaciones del año.

 

La duración del día y de la noche.

Si bien con el movimiento de rotación terrestre se producen el día y la noche, es el movimiento de traslación de la Tierra el que determina que los días resulten más largos y las noches más cortas o viceversa, dependiendo de la estación del año (es decir, de la distancia en que se encuentra el planeta respecto al Sol).

 

Rotación de la Tierra

El movimiento de rotación se da cuando un cuerpo, como el planeta Tierra, gira sobre su propio eje, que permanece fijo.

Por otra parte, el movimiento de traslación es el movimiento que hace un cuerpo celeste al girar sobre su órbita alrededor del Sol.

El eje de la Tierra es una línea imaginaria que no está recta, sino que tiene un ángulo de inclinación de 24° respecto de la órbita terrestre. Esa inclinación provoca que los rayos del Sol impacten con diferente intensidad en el hemisferio norte respecto del hemisferio sur.

Fig. 9 Rotación de la Tierra.

 

Galería Método

Resultados

El Sistema Solar es un sistema planetario cuya estrella central es el Sol, alrededor del cual orbitan o giran varios planetas, planetas enanos y otros cuerpos celestes por efecto de la fuerza de gravedad en equilibrio con la inercia.

Cada planeta, orbitara dependiendo de la combinación de los siguientes parámetros; distancia al Sol, masa, velocidad de rotación, tamaño, en conjunto con la inercia y el tirón gravitacional hacen que cada planeta gire a una velocidad determinada.

Y todo esto en conjunto establece la órbita que recorrerá el cuerpo celeste

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Todo en el universo está en movimiento: la Tierra y el resto de los planetas y satélites, los asteroides y los cometas, el Sol, las galaxias… todo se mueve. Y las leyes de la naturaleza establecen que todo lo que se mueve tiene tendencia a seguir con este mismo movimiento, en línea recta, a menos que actúe una fuerza que les haga cambiar su velocidad o dirección. A esto se le llama la “inercia”. Esa es la clave.

Los planetas sufren la fuerza de gravedad que los atrae al Sol, pero no se estrellan contra él, porque esta fuerza cambia la dirección de su movimiento y hace que giren en órbita a su alrededor.

Si no existiera esta fuerza, los planetas seguirían su movimiento inicial en línea recta, alejándose del Sol, por su inercia.

La velocidad en el movimiento de los planetas es la clave para que no acaben estrellándose contra el Sol.

La velocidad adecuada para que la Tierra gire en su órbita es de 30 kilómetros por segundo, para que la gravedad del Sol contrarreste la inercia.

Bibliografía

Equipo Editorial, Etecé. (agosto 5 2021). Sistema solar. marzo 19 2021, de Editorial Etecé, Sitioweb: https://concepto.de/sistema-solar/

GeoEnciclopedia. (2021). El Sistema Solar. marzo 19 2022, de GeoEnciclopedia Sitio web: https://www.geoenciclopedia.com/sistema-solar/

Mayra Osorio. (2018). Si los planetas están cayendo hacia el Sol, ¿por qué no chocan contra él? marzo 19 2022, de EL PAIS Sitio web: https://elpais.com/elpais/2018/06/25/ciencia/1529913524_460018.html#:~:text=Los%20planetas%20sufren%20la%20fuerza,en%20%C3%B3rbita%20a%20su%20alrededor.

Gabri. (2022). ¿Por qué los planetas orbitan alrededor del sol? marzo 19 2022, de El blog de franz Sitio web: https://acolita.com/por-que-los-planetas-orbitan-alrededor-del-sol/

Diana Vargas. (2021). ¿Por qué los planetas se mantienen en órbita alrededor del sol? marzo 19 2022, de Explicame Sitio web: https://www.explica.me/ciencia/Por-que-los-planetas-se-mantienen-en-orbita-alrededor-del-Sol-20210813-0003.html

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Method (materials and procedure)

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Bibliography