¿Cuánto pesa el Sol? Nadie puede ponerlo en una báscula, y sin embargo conocemos su masa con cinco cifras. ¿Y la de un agujero negro a 26 000 años luz, que ni siquiera emite luz? También. El truco es el mismo en los dos casos: mirar algo que gire a su alrededor y cronometrarlo. La tercera ley de Kepler, una vez que Newton le puso la constante, es la balanza más grande del universo.
1. La balanza de Newton

En la lección anterior dedujimos que, para una órbita circular de radio alrededor de un cuerpo de masa ,
Newton demostró que la fórmula vale también para órbitas elípticas si se usa el semieje mayor en lugar de . Despejando la masa:
donde
- : masa del cuerpo central (kg),
- : semieje mayor de la órbita del satélite (m),
- : periodo orbital sidéreo del satélite (s),
- (CODATA 2018).
Dos observaciones importantes:
- La masa del satélite no aparece. Un cuerpo pequeño orbita igual sea una piedra o una nave: por eso basta observar cualquier satélite para pesar al cuerpo central.
- Lo que la órbita da directamente es el producto , que se mide con enorme precisión (diez cifras para la Tierra). Para separar hay que dividir entre , que solo se conoce con cinco cifras: la masa del Sol en kilogramos es menos precisa que . Por eso los astrónomos trabajan casi siempre con (el parámetro gravitacional).
Ejemplo resuelto 1: la masa del Sol con la órbita de la Tierra
Semieje mayor m; periodo sidéreo s.
El valor nominal de la IAU es : coincidencia en las cinco cifras que usamos. Y
Dos mil cuatrillones de toneladas, 333 000 veces la masa de la Tierra, obtenidas con un calendario y una regla (la distancia Tierra–Sol).
Ejemplo resuelto 2: la masa de Júpiter con Ío
Galileo descubrió en 1610 cuatro lunas girando alrededor de Júpiter; la más interna, Ío, tarda d s en recorrer una órbita de semieje km m.
frente al nominal IAU (diferencia del 0.1 %, por el redondeo de ). La masa: kg, y la comparación con el Sol:
Júpiter tiene una milésima de la masa del Sol y 318 veces la de la Tierra. Newton hizo exactamente este cálculo en los Principia (1687), con los datos de la época, y obtuvo .
Ejemplo resuelto 3: la masa de la Tierra con la Luna (y una corrección)
Luna: km m, d s.
Pero : nos pasamos un 1 %. La razón es que la Luna no es «pequeña»: tiene 1/81 de la masa terrestre, y en realidad la Tierra y la Luna giran ambas alrededor de su centro de masa común. La fórmula exacta de Newton para dos cuerpos es
con la distancia entre los dos cuerpos. Lo que medimos con la Luna es ; la diferencia es, aproximadamente, ( según la NASA; el resto viene de usar una distancia media redondeada y de la atracción del Sol). Para la Tierra y el Sol la corrección es despreciable: .
Con un satélite artificial la corrección desaparece. Un satélite geoestacionario ( km, s) da : exacto.
2. La forma astronómica: masas solares, UA y años

Si medimos en UA, en años y en masas solares, la constante vale exactamente 1 (porque la Tierra, con UA y año, orbita una masa de ):
Esta forma es la que usan los astrónomos para estrellas dobles (donde no es despreciable y se obtiene la suma de las dos masas) y para el centro de la galaxia.
Ejemplo resuelto 4: pesar el agujero negro de la Vía Láctea
La estrella S2 orbita el objeto Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea. El instrumento GRAVITY del Observatorio Europeo Austral midió su órbita (2020): periodo años, semieje mayor angular milisegundos de arco (mas), distancia al centro galáctico pc.
Primero el semieje en UA. Por la definición del pársec, un ángulo de a pc corresponde a UA, así que :
Y la masa:
Cuatro millones de soles en una región más pequeña que la órbita de Mercurio… y que no emite luz. La masa de S2 (unas 14 ) es despreciable. El resultado publicado por GRAVITY es .
3. ¿Y los planetas sin lunas?

Mercurio y Venus no tienen satélites naturales, así que su masa fue durante siglos la peor conocida del Sistema Solar (solo se podía estimar por las perturbaciones que causan en las órbitas vecinas). Hoy se pesan con sondas: la trayectoria de Mariner 10 y MESSENGER (Mercurio) y de Magallanes y Venus Express (Venus) se desvía por la gravedad del planeta, y de esa desviación se obtiene . Es la misma ley: un cuerpo en caída libre «mide» la masa que lo atrae.
Simulador: una balanza para el Sol
El simulador resuelve la órbita exacta alrededor del Sol con m³/s² y muestra y en el panel inferior.
- Pon y UA. Lee (en años) y comprueba .
- Cambia a 5.20 UA (Júpiter) y a 0.39 UA (Mercurio). ¿Se mantiene ? Esa constancia es la prueba de que todos orbitan la misma masa.
- Pon sin cambiar : el periodo no cambia. Solo el semieje mayor determina , no la forma de la órbita. Por eso la fórmula usa y no la distancia instantánea.
- Lee en metros y en segundos para una órbita cualquiera y calcula en la calculadora: debe darte .
Actividad: la constante de Kepler con los ocho planetas
Necesitas: calculadora científica u hoja de cálculo, y esta tabla (NASA Planetary Fact Sheet).
| Planeta | (UA) | (días) |
|---|---|---|
| Mercurio | 0.38710 | 87.969 |
| Venus | 0.72333 | 224.701 |
| Tierra | 1.00000 | 365.256 |
| Marte | 1.52371 | 686.980 |
| Júpiter | 5.20289 | 4332.59 |
| Saturno | 9.53668 | 10759.22 |
| Urano | 19.18916 | 30685.4 |
| Neptuno | 30.06992 | 60189 |
- Convierte cada periodo a años dividiendo entre 365.256 (año sidéreo).
- Calcula , y el cociente para cada planeta, con cuatro cifras decimales.
- Calcula la media y la desviación máxima respecto de 1.0000. ¿Qué planeta se aparta más? ¿Es un error de medida o hay una razón física? (Pista: el cociente da en masas solares.)
- Convierte el cociente de la Tierra a unidades SI: multiplica por y divide por ; multiplica por y obtén . Divide entre y escribe con tres cifras.
- En la hoja de cálculo, grafica contra : la pendiente debe ser .
Pregunta final: si el periodo de Júpiter se midiera con un error del 1 %, ¿qué error tendría su cociente ? ¿Y si el error del 1 % estuviera en ? ¿Cuál de las dos medidas conviene afinar más?
Ejercicios
Básico
- Un satélite da una vuelta a la Tierra cada 100 min a km. Calcula y compáralo con el valor nominal.
Ver solución
s. m³/s², un 1 % por encima de (los datos del enunciado están redondeados).
- Marte: su luna Fobos orbita con km y d. Calcula y la masa de Marte. NASA: m³/s².
Ver solución
s. m³/s² (error 0.1 %). kg, el 10.7 % de la masa terrestre.
- Usa la forma astronómica para hallar la masa de una estrella alrededor de la cual un planeta orbita a 2 UA con periodo 2 años.
Ver solución
.
Medio
- Europa ( km, d), Ganímedes ( km, d) y Calisto ( km, d) orbitan Júpiter. Calcula con cada una y comenta la dispersión.
Ver solución
Europa: s, . Ganímedes: s, . Calisto: s, . Los cuatro satélites (con Ío, ) coinciden en tres cifras: cuatro «balanzas» independientes dan el mismo peso, lo que confirma que todos orbitan la misma masa central con la misma ley.
- Saturno: Titán orbita con km y d. Calcula la masa de Saturno y exprésala en masas terrestres ( kg).
Ver solución
s. m³/s². kg (NASA: kg).
- Despeja de la fórmula y calcula a qué distancia debería orbitar un satélite de Júpiter para tardar exactamente un día terrestre (86 400 s).
Ver solución
m km, entre Ío (421 800 km) y la superficie de Júpiter (71 500 km).
Reto
- Con la órbita de la Luna obtuvimos , pero el valor exacto es . Calcula qué periodo lunar sería compatible con ese valor y km, y compáralo con 27.3217 d. ¿A qué atribuyes la diferencia de minutos?
Ver solución
s d, unos 53 min menos que 27.3217 d (0.13 %). La órbita lunar no es una elipse kepleriana pura: el Sol la perturba (su atracción diferencial alarga el periodo) y 384 400 km es una media convencional. Para la precisión de un libro de secundaria el acuerdo es excelente; para la precisión de un astrónomo hace falta la teoría de perturbaciones.
- S2 tiene excentricidad . Calcula su distancia mínima y máxima a Sagitario A* en UA y en horas luz (1 UA = 499 s luz). ¿Cabría el Sistema Solar (Neptuno a 30 UA) dentro de la órbita de S2?
Ver solución
UA h luz; UA h luz días luz. El Sistema Solar entero (30 UA) cabe cuatro veces dentro de la distancia mínima de S2 al agujero negro.
- Demuestra que en la forma astronómica la constante vale 1: parte de en SI y sustituye UA, año sidéreo s, y kg.
Ver solución
kg . Al expresar en UA, en años y en , todos los factores de conversión se cancelan y queda .
✦ Mini-prueba
Recuerda
- : cualquier satélite es una balanza para el cuerpo central; la masa del satélite no interviene (salvo en si no es pequeña).
- Las órbitas dan con enorme precisión; hereda la incertidumbre de .
- Sol (con la Tierra): m³/s², kg. Júpiter (con Ío): . Tierra (con la Luna): , un 1 % de más por la masa lunar.
- En UA, años y masas solares: . Con S2: para el agujero negro de la Vía Láctea.
- Sin lunas (Mercurio, Venus) se pesa con la trayectoria de las sondas.
🍎 Guía docente
- Tiempo
- 2 sesiones de 55 min
- Estándar MEN
- Ciencias Naturales 10.º a 11.º, entorno físico: «Relaciono masa, distancia y fuerza de atracción gravitacional entre objetos» y «Establezco relaciones entre el modelo del campo gravitacional y la ley de gravitación universal»; me aproximo al conocimiento como científico natural: «Utilizo las matemáticas para modelar, analizar y presentar datos y modelos en forma de ecuaciones, funciones y conversiones» e «Interpreto los resultados teniendo en cuenta el orden de magnitud del error experimental». Matemáticas 10.º a 11.º, pensamiento numérico: «Establezco relaciones y diferencias entre diferentes notaciones de números reales para decidir sobre su uso en una situación dada»; pensamiento métrico: «Resuelvo y formulo problemas que involucren magnitudes cuyos valores medios se suelen definir indirectamente como razones entre valores de otras magnitudes, como la velocidad media, la aceleración media y la densidad media» y «Diseño estrategias para abordar situaciones de medición que requieran grados de precisión específicos».
- Evidencia de aprendizaje
- Despeja M de la tercera ley, calcula GM y M del Sol, Júpiter y la Tierra a partir de datos orbitales reales en unidades SI con notación científica, explica la corrección G(M + m) con la Luna, verifica a³/T² = 1 con la tabla de los ocho planetas y aplica la forma astronómica para pesar Sagitario A* con la órbita de S2, propagando errores de T y a.
Materiales
- Calculadora científica (raíces cúbicas y notación científica)
- Computador con hoja de cálculo para la actividad (uno por grupo)
- Tabla de la actividad impresa
- Computador o tableta con el simulador de órbitas
Secuencia sugerida
Sesión 1. La balanza de Newton (55 min). Inicio: ¿cómo se pesa lo que no se puede tocar? (5 min). Desarrollo: despeje de , ejemplos resueltos 1 y 2 en el tablero con calculadora, discusión de frente a (25 min); simulador, pasos 1–4 (10 min). Cierre: ejercicios 1 y 2 (15 min).
Sesión 2. De la Luna al agujero negro (55 min). Inicio: ejemplo 3 y la corrección (10 min). Desarrollo: forma astronómica y ejemplo 4 (S2), con énfasis en la conversión de mas y pc a UA (15 min); actividad de la tabla de planetas por grupos en hoja de cálculo (20 min). Cierre: mini-prueba (10 min). Los retos 7–9 pueden dejarse como tarea para el grupo que termine antes.
Errores frecuentes
- Usar la altura del satélite en lugar del semieje mayor, o km en lugar de m. Exigir conversión a SI y comprobar el orden de magnitud contra el valor nominal.
- Creer que un satélite más masivo orbita distinto. Mostrar la cancelación de m en v²/r = GM/r² y la constancia de a³/T² para las cuatro lunas de Júpiter.
- Confundir G con GM. Insistir en que la órbita mide el producto y en que G se mide en laboratorio.
- Olvidar que T debe ser el periodo sidéreo (respecto a las estrellas) y no el sinódico. Remitir a la lección de fases y eclipses.
- Sumar errores relativos sin tener en cuenta los exponentes: el error de a³ es el triple del de a y el de T² el doble del de T.