Supongamos que estamos dentro de un ascensor en el piso superior de un hipotético rascacielos muy, muy alto. Si el ascensor se suelta y cae libremente, nosotros y todo lo que esté dentro de la caja del ascensor descenderemos con el mismo movimiento, estaremos cayendo cada vez más rápidos con la aceleración debida a la gravedad de la Tierra. Sin embargo, si no tenemos ninguna referencia externa al propio ascensor, no notaremos esta aceleración. Lo que nos parecerá es que estamos ingrávidos, flotando dentro de la caja del ascensor, y cualquier objeto que esté también suspendido permanecerá suspendido a nuestro lado.

Este fenómeno conocido como “principio de equivalencia”, fue anunciado por Einstein quien afirmó que gravedad y aceleración son equivalentes. De igual forma que no podemos distinguir entre caída libre e ingravidez; si nuestro ascensor estuviese en medio del espacio interestelar y estuviese acelerado con la misma intensidad de la gravedad terrestre, en ausencia de otras referencias externas, no sabríamos distinguir dicha aceleración de si estuviésemos quietos sobre la superficie de la Tierra, sometidos solamente a su gravedad.

Los astronautas de una nave espacial están ingrávidos precisamente porque están en caída libre. En otras palabras: en todo momento están cayendo hacía la Tierra. Esta idea suele causar confusión porque la nave, evidentemente, no acaba cayendo al suelo. El motivo es que si bien la Tierra tira de la nave hacia abajo, ésta también tiene un movimiento orbital que impulsa la nave de lado. De esta forma, en cada instante, la nave cae pero al mismo tiempo se ha desplazado cierta distancia alrededor de la Tierra, y la curvatura de ésta hace que la nave no esté más cerca de la superficie que antes y se mantenga a la misma altura. Así la nave podría girar alrededor de la Tierra perennemente si nada la frena, como podría ser el rozamiento con las capas externas de la atmósfera. Del mismo modo la Tierra y la Luna caen alrededor de su común centro de gravedad. Y de la misma forma la Tierra está cayendo continuamente hacia el Sol. Así la gravedad del Sol en la superficie de la Tierra es el 0’06% de la gravedad terrestre, pero no lo notamos, no nos sentimos más ligeros cuando el Sol está sobre nuestra cabeza.

Aunque no existen efectos locales debidos a la gravedad cuando el observador cae libremente, puede haber efectos no locales. Volvamos al ejemplo del ascensor que cae. Supongamos que se sueltan dos cuerpos pequeños dentro del ascensor separados cierta distancia. Cada uno cae directamente hacia el suelo. Sin embargo, la Tierra no es plana; las trayectorias verticales de las partículas no son exactamente paralelas sino que convergen lentamente y apuntan al centro de la Tierra. Un observador que caiga con el ascensor observará un movimiento muy ligero de un cuerpo hacia el otro a medida que ambos se precipiten hacia abajo. En un ascensor real, donde las partículas estén separadas sólo un metro, la convergencia valdrá unos minúsculos 0’016 mm por cada 100 metros verticales de caída. Los objetos también experimentan una atracción gravitatoria entre ellos, pero estas fuerzas son despreciables y no es necesario tenerlas en cuenta. Es importante comprender que estos movimientos relativos entre los objetos en caída libre no se deben a una gravedad mutua sino a su respuesta a la gravedad exterior. La fuerza gravitatoria directa en sí es inobservable, pero los efectos secundarios generalmente mucho más pequeños causados por su variación de un punto a otro, sí pueden ser observables.

Cuanto mayor sea la región de observación, mayores pueden resultar estas diferencias. El lado de la Tierra que en un momento dado mira a la Luna está 12.000 km más cerca de ella que el lado opuesto, y a causa de ello la gravedad de la Luna varia en más del 6%. Esto hace que los océanos de diferentes regiones de la superficie de la Tierra “caigan” con diferentes velocidades hacia la Luna, y en consecuencia se produzcan las mareas. Las fuerzas diferenciales de la gravedad se llaman por este motivo fuerzas de marea.

Aquí podemos apreciar la sorprendente diferencia entre gravedad directa y gravedad de marea, observando que si bien la gravedad del Sol en la superficie terrestre es unas 180 veces más intensa que la de la Luna, las mareas solares son más pequeñas que las lunares. Esto se debe a que la variación de la gravedad solar de un lado a otro de la Tierra es sólo del 0’017%. El Sol está mucho más lejos que la Luna, y el diámetro adicional de la Tierra apenas aumenta la intensidad de la gravedad solar.

En la imagen vemos que, si bien la gravedad de la Luna es mínima en el punto B, el océano en este punto está levantado. Esto se debe a que la Tierra en sí es casi rígida y por ello no se deforma. La superficie terrestre en B cae a la misma velocidad que en el centro de gravedad de la Tierra, y éste está algo más cerca de la Luna que B. Por lo tanto, la Tierra en B cae algo más deprisa que el océano en B, que no está unido rígidamente a la Tierra. A consecuencia de esto el océano se “retrasa” y aparece un abultamiento. Si la misma Tierra fuera líquida, se deformaría también bajo la acción de las fuerzas de marea, y no notaríamos localmente las mareas oceánicas. Pero aunque la Tierra es casi rígida, las mareas también producen tensiones en su interior. Sin embargo este efecto es prácticamente imperceptible en el caso de nuestro planeta, pero por ejemplo, en el caso de Io –satélite de Júpiter- las fuerzas de marea que le ocasiona la proximidad del inmenso Júpiter, ocasionan grandes fricciones en el interior de Io que hacen que se caliente y se produzcan erupciones volcánicas que convierten a Io en el astro más vulcanológicamente activo del Sistema Solar.