22 mar. 2010

Ingravidez

En uno de mis post anterioes comenté que las leyes de la termodinámica no son tan conocidas por el ciudadano de a pie, como la gravedad. Y aunque la gravedad sea una de las fuerzas más conocidas por todos, y en el colegio nos enseñaran la famosa ecuación de la Ley de Gravitación Universal, a veces hay conceptos generalizados, que son totalmente erróneos.
Posiblemente el más extendido es el relacionado con la ausencia de gravedad. Desde pequeñitos nos han dicho que en el espacio no hay gravedad. Lo vemos en las películas, y lo podemos ver en las noticias cuando nos muestran a los astronautas de las lanzaderas espaciales, o de la Estación Espacial Internacional (ISS). Así que en el espacio no hay gravedad, y las cosas flotan ¿verdad?
Pues va a ser que no. En el espacio sí hay gravedad. Y mucha. De hecho, es la gravedad lo que mantiene a las cohetes y satélites artificiales dando vueltas alrededor nuestro. Es lo que mantiene a la Luna en su órbita alrededor de nuestro planeta, y a los planetas orbitando alrededor del Sol, y a las estrellas formando galaxias. Y es lo que está frenando la expansión del universo. De hecho, no hay un lugar en todo el universo observable donde no haya alguna interacción gravitatoria, dado que la gravedad tiene un alcance ilimitado.
Si recuerdan  la ecuación que nos enseñaron en el cole (F=G·M·m/r2), vemos que la fuerza de gravedad entre dos cuerpos es igual al producto de sus masas, dividido por el cuadrado de la distancia que las separa, multiplicado todo ello por la famosa Constante de Gravitación Universal (que como su nombre indica, es constante). Eso quiere decir que cuando más lejanos estén los objetos, menor es la fuerza de gravedad entre ellos. Pero nunca llega a ser cero (aunque sí que puede llegar a ser tan pequeña que sea inapreciable).
Piensen también lo siguiente. Como la gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia, si ésta se duplica, la fuerza se reduce a la cuarta parte. Es decir, si despegamos en un cohete, y nos alejamos de la superficie, una distancia igual al radio de la Tierra, nuestro vehículo pesará una cuarta parte de lo que lo hacía en tierra. Si nuestro cohete pesara una tonelada, a esa distancia pesaría todavía 250 kg.
Vamos a hacer ótro cálculo. Pensemos, por ejemplo, en la ISS. Todos hemos visto alguna vez fotos o vídeos de la estación espacial y de sus tripulantes flotando en su interior. Consultando en la Wikipedia, vemos que se encuentra a una altitud media de 333 km sobre el nivel del mar. Los que quieran ser más precisos pueden comprobar en tiempo real la posición exacta de la ISS en ésta página de la NASA. Consultando nuevamente la Wikipedia, veremos que el radio medio de la Tierra es de 6.371 km. Esto quiere decir que la distancia a la que se encuentra la ISS del centro de la tierra es 1,05 veces la distancia a la que nos encontramos nosotros en la superficie, por lo que la gravedad será unas 0,9 veces la que experimentamos con los pies sobre el suelo. Esto quiere decir que una persona que pese 80 kg (siendo puristas, el kilogramo es una unidad de masa, no de peso, que es una fuerza; pero así nos entendemos), sería atraída por la gravedad por una fuerza equivalente a la de un peso de unos 72 kg. Creo que todo el mundo estará de acuerdo en que 72 kg sigue siendo bastante peso.
¡Pero y esas fotos de los astronáutas! ¿Es todo mentira? No, por supuesto que no, pero el hecho de que dentro de la ISS o de cualquier vehículo espacial con los impulsores apagados las cosas floten, no quiere decir que no haya gravedad. Cuando un objeto (un satélite, una lanzadera) se encuentra en órbita, no está en estado de ingravidez (puesto que la gravedad sí actúa) sino en estado de caída libre. Esto quiere decir que dicho objeto en realidad está cayendo hacia la Tierra, pero como su velocidad tangencial es tan alta, el suelo se «curva» más rápido, por decirlo de alguna manera, y por tanto el objeto nunca llega a tocar el suelo. Otra forma de verlo sería pensando que la fuerza centrífuga debida a la trayectoria circular (en realidad, elíptica en la mayoría de los casos), se iguala a la fuerza de gravedad.
La sensación en el interior de un vehículo espacial es la misma que la que tendríamos si nos encerraran en un contenedor más o menos grande y nos lanzaran desde un avión. En el interior, todo parecería flotar (aunque es un experimento que no aconsejo a nadie). De hecho, la Relatividad General de Einstein, nos dice que la ingravidez es indistinguible de la caída libre, y que la gravedad es indistinguible de una aceleración constante (en un entorno local, pues si disponemos de suficiente precisión y espacio, podríamos detectar el gradiente propio de un campo gravitatorio, esto es, la diferencia de fuerza dependiendo del lugar), con todas las implicaciones que eso trae consigo, como la dilatación temporal o la contracción espacial.
Para que un objeto se encuentre en órbita, su velocidad y trayectoria deben ser las apropiadas. Si simplificamos un poco y pensamos en una trayectoria circular, la fuerza centrífuga (o centrípeta, depende del sistema de referencia que elijamos) es igual a la masa del objeto, por el cuadrado de la velocidad, dividido por el radio de la órbita (F=m·v2/r). Y esta fuerza debe ser igual a la gravitatoria. Vemos por tanto que para una órbita circular, la velocidad debe tener un valor muy definido (tenemos que, v2=G·M/r), que únicamente depende del radio de la órbita (pues la constante de gravitación universal, y la masa de la Tierra, no varían). Si el objeto fuera más rápido, se alejaría cada vez más, y si fuera más despacio, caería poco a poco siguiendo una trayectoria espiral (la realidad es más complicada, pues las órbitas pueden ser elípticas, lo que nos da un rango de velocidades, pero creo que esta simplificación vale para entenderlo).
Por tanto, las cosas no flotan en el espacio «por definición», sino que el vehículo o estación espacial en cuestión, tiene que estar en órbita. Y eso quiere decir que debe tener determinada velocidad, o si no caería irremediablemente sobre nuestro planeta, o se alejaría indefinidamente.


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