Na física, a gravidade (do latim gravitas, "peso"), também chamada de gravitação ou interação gravitacional, Trecho da página 109 é uma das quatro interações fundamentais da física. Na descrição newtoniana, é a força de atração entre corpos com massa. Na relatividade geral, é explicada pela geometria do espaço-tempo e pela distribuição de matéria e energia.
No universo primitivo, a atração gravitacional fez o gás composto sobretudo de hidrogênio e hélio se concentrar em halos de matéria escura. O resfriamento do gás permitiu sua contração, e o aquecimento das regiões centrais de algumas dessas concentrações levou à fusão nuclear e à formação das primeiras estrelas. A gravidade também reuniu matéria em galáxias, aglomerados e na estrutura em grande escala do universo. A interação tem alcance ilimitado nos modelos newtoniano e relativístico, embora o campo de um corpo isolado enfraqueça com a distância.
A gravidade é descrita pela teoria da relatividade geral, proposta por Albert Einstein em 1915, que a interpreta em termos da curvatura do espaço-tempo, causada pela distribuição de matéria e energia. A teoria admite a existência de buracos negros, regiões das quais nenhum sinal luminoso pode alcançar o exterior depois de atravessar o horizonte de eventos. Em campos fracos e para movimentos lentos em comparação com a velocidade da luz, a lei da gravitação universal de Newton oferece uma aproximação suficientemente boa da gravidade. Essa lei a descreve como uma força de atração entre duas massas pontuais, proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas.
Os cientistas buscam uma teoria completa de gravitação quântica, que descreva a gravidade no âmbito da mecânica quântica. Uma teoria de tudo teria um objetivo adicional, unificar a gravidade e as demais interações fundamentais em uma única estrutura matemática.
Na superfície de um corpo planetário, como a Terra, a atração gravitacional atua aproximadamente em direção ao centro do corpo e é modificada pelos efeitos centrífugos decorrentes de sua rotação. Nesse contexto, a gravidade confere peso aos objetos físicos, é essencial para compreender os mecanismos responsáveis pelas ondas na superfície da água e pelas marés lunares e contribui substancialmente para os padrões meteorológicos. Nos organismos multicelulares, a gravidade participa de processos como a orientação do crescimento das plantas pelo gravitropismo. No corpo humano, também afeta a distribuição de fluidos e o funcionamento do sistema circulatório.
Caracterização miniatura|A atração entre duas massas pontuais depende do produto das massas e do inverso do quadrado da distância. As forças têm a mesma intensidade e sentidos opostos. A gravidade é uma interação física fundamental. Na formulação newtoniana, sua intensidade depende da massa dos corpos. Para duas massas pontuais, a força de atração é proporcional ao produto das massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. A força da gravidade, , é expressa por meio da constante gravitacional universal, , como
para massas e separadas por uma distância . A expressão também vale para dois corpos esfericamente simétricos que não se sobreponham, tomando-se a distância entre seus centros. Para distribuições de massa de forma arbitrária, somam-se as contribuições de seus elementos de massa.
A força eletrostática entre cargas pontuais, um caso da interação eletromagnética, também depende do inverso do quadrado da distância. A razão entre a atração gravitacional de dois elétrons e sua repulsão elétrica é de 1 para 4,17 × 1042. Por isso, em geral, a gravidade pode ser desprezada na escala das partículas subatômicas. Na escala de sistemas astronômicos, a gravidade governa o movimento orbital de satélites, planetas, estrelas, galáxias e também desvia a trajetória da luz. A gravidade também é fundamental em outro sentido: a massa inercial que aparece na segunda lei de Newton é igual à massa gravitacional. Essa equivalência é expressa pelo princípio da equivalência e pode ser testada comparando-se a queda livre de corpos de composições diferentes. Os resultados finais da missão MICROSCOPE, publicados em 2022, não encontraram diferença entre as acelerações de massas de teste de titânio e platina, com sensibilidade da ordem de uma parte em 1015.
História
Mundo antigo A natureza e o mecanismo da gravidade foram investigados por diversos estudiosos da Antiguidade. Na Grécia Antiga, Aristóteles acreditava que cada um dos elementos clássicos tinha um lugar natural no universo, para o qual tendia a se mover: a terra e a água tendiam para o centro, enquanto o ar e o fogo tendiam para cima. O centro do universo coincidia com o da Terra, já reconhecida como esférica. Ao éter dos corpos celestes, Aristóteles atribuía movimento circular.Sobre o Céu II. 13–14. Ele também considerava que a velocidade de um objeto em queda deveria aumentar com seu peso, conclusão posteriormente demonstrada como falsa. Plutarco admitiu que a matéria terrestre tendia para a Terra e a matéria lunar para a Lua. Essa ideia de afinidade entre partes de um mesmo corpo não equivalia à atração universal que Newton formularia séculos depois.
miniatura|upright=0.8|Em uma lâmina triangular uniforme, o centro de gravidade coincide com a interseção das medianas. Embora não entendesse a gravidade como uma força, o matemático grego Arquimedes estudou o centro de gravidade e determinou sua posição em uma lâmina triangular uniforme. Ele postulou que, se dois pesos iguais não tivessem o mesmo centro de gravidade, o centro de gravidade do conjunto estaria no ponto médio da linha que une seus centros de gravidade. Dois séculos depois, o engenheiro e arquiteto romano Vitrúvio sustentou, em De architectura, que uma pedra podia flutuar no mercúrio, enquanto uma pequena quantidade de ouro afundava. No século VI, o estudioso alexandrino bizantino João Filopono propôs a teoria do ímpeto, que modificava a ideia aristotélica de que "a continuidade do movimento depende da ação contínua de uma força", incorporando uma força causadora do movimento que diminuía com o tempo.O termo empregado por Filopono para ímpeto é "ἑνέργεια ἀσώματος κινητική" ("energia motriz incorpórea", ou enérgeia); ver CAG, XVII, Ioannis Philoponi in Aristotelis Physicorum Libros Quinque Posteriores Commentaria (cópia arquivada em 22 de dezembro de 2023), De Gruyter, 1888, p. 642: "λέγω δὴ ὅτι ἑνέργειά τις ἀσώματος κινητικὴ ἑνδίδοται ὑπὸ τοῦ ῥιπτοῦντος τῷ ῥιπτουμένῳ [Afirmo que um ímpeto (energia motriz incorpórea) é transferido de quem lança para o objeto lançado]."
No século VII, o matemático e astrônomo indiano Brahmagupta explicou a queda dos corpos pela capacidade da Terra de atraí-los.
No Oriente Médio medieval, a gravidade também foi discutida. O intelectual persa Albiruni acreditava que a força gravitacional não era exclusiva da Terra e propôs que outros corpos celestes também deveriam exercer atração gravitacional. Al-Khazini defendia que os corpos pesados tendiam para o centro da Terra.
Revolução Científica
miniatura|upright|A Torre de Pisa, onde, segundo a tradição, Galileu realizou um experimento sobre a velocidade dos objetos em queda. Em meados do século XVI, diversos cientistas europeus refutaram experimentalmente a noção aristotélica de que os objetos mais pesados caem mais depressa. Em particular, o sacerdote dominicano espanhol Domingo de Soto escreveu, em 1551, que os corpos em queda livre aceleram uniformemente. De Soto pode ter sido influenciado por experimentos anteriores realizados na Itália, associados a estudiosos como Benedetto Varchi, o dominicano Francesco Beato, Luca Ghini e Giovan Bellaso, que contradiziam os ensinamentos de Aristóteles sobre a queda dos corpos.
Também em meados do século XVI, o físico italiano Giambattista Benedetti publicou trabalhos nos quais afirmava que, em razão da densidade relativa, objetos feitos do mesmo material, mas com massas diferentes, cairiam à mesma velocidade. No experimento da torre de Delft, em 1586, o físico flamengo Simon Stevin observou que duas balas de canhão de tamanhos e pesos diferentes caíam à mesma velocidade quando soltas de uma torre.
Na primeira metade do século XVII, as medições cuidadosas de Galileu Galilei com bolas que rolavam por planos inclinados permitiram-lhe investigar a aceleração dos corpos em queda. Ele defendeu que, sem a resistência do ar, corpos de massas diferentes cairiam com a mesma aceleração.Galileu Galilei (1638), Discurso sobre as Duas Novas Ciências, primeiro dia, fala de Salviati: "Se era isso que Aristóteles queria dizer, você lhe atribuiria outro erro, que equivaleria a uma falsidade; pois, como não existe na Terra uma altura tão grande, é evidente que Aristóteles não poderia ter realizado o experimento; ainda assim, ele deseja nos dar a impressão de tê-lo realizado quando fala desse efeito como algo que vemos." Galileu propôs que a resistência do ar era a razão pela qual objetos de baixa densidade e grande área de superfície caíam mais lentamente em uma atmosfera. Em sua obra de 1638, Discurso sobre as Duas Novas Ciências, demonstrou que a distância percorrida por um objeto que cai a partir do repouso, com aceleração constante, era proporcional ao quadrado do tempo decorrido. Seu método era uma forma de integração numérica gráfica, desenvolvida antes da formulação moderna do cálculo. Esse resultado foi posteriormente confirmado pelos cientistas italianos Grimaldi e Riccioli, entre 1640 e 1650. Eles também calcularam a intensidade da gravidade terrestre medindo as oscilações de um pêndulo.J. L. Heilbron, Electricity in the 17th and 18th Centuries: A Study of Early Modern Physics (Berkeley, Califórnia: University of California Press, 1979), p. 180.
Galileu também rompeu com ideias equivocadas da filosofia aristotélica ao considerar a inércia como persistência do movimento, e não como uma tendência ao repouso. Ao considerar que as leis da física seriam idênticas em um navio em movimento uniforme e em terra firme, desenvolveu os conceitos de referencial e de princípio da relatividade. Esses conceitos se tornariam centrais na mecânica de Newton e seriam posteriormente transformados pela teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral.
No último quarto do século XVI, Tycho Brahe construiu instrumentos precisos de astrometria, que permitiram observações cuidadosas dos planetas. Seu assistente e sucessor, Johannes Kepler, analisou esses dados e formulou três leis empíricas do movimento planetário. Essas leis forneceram relações quantitativas que Newton explicaria com sua teoria da gravitação. Em seu livro de 1609, Astronomia Nova, Kepler descreveu a gravidade como uma atração mútua, afirmando que, se a Terra e a Lua não fossem mantidas afastadas por alguma força, elas se aproximariam até se encontrar. Ele reconheceu que forças mecânicas produziam movimento, concebendo uma espécie de máquina celeste. Por outro lado, considerava que a força exercida pelo Sol sobre os planetas era magnética e atuava tangencialmente às suas órbitas; também supunha, como Aristóteles, que a inércia significava uma tendência dos objetos ao repouso.
Em 1666, Giovanni Alfonso Borelli evitou os principais problemas que haviam limitado Kepler. Na época de Borelli, a inércia já adquirira seu significado moderno, como tendência dos objetos a permanecer em movimento uniforme, e o Sol era entendido por ele como apenas mais um corpo celeste. Borelli desenvolveu a ideia de equilíbrio mecânico, um balanço entre inércia e gravidade. Newton reconheceu a influência de Borelli sobre sua teoria.