The Túzaro

Los astronautas y la ingravidez

Posted in Divulgación by thetuzaro on 11 octubre 2012

Últimamente se me hace bastante cuesta arriba escribir en el blog. Como mis fieles seguidores habrán podido comprobar, en estos últimos tiempos le estoy dando más a mis supercómics que a otra cosa. No obstante aún tengo ganas de escribir artículos de divulgación científica, sobre todo dirigidos a gente bastante ajena al mundillo, y en particular artículos basados en mi trabajo, en lo que hago para ganarme la vida. Sin embargo, eso requiere bastante esfuerzo y tiempo, así que de momento voy a utilizar este artículo para hacer algo de divulgación más sencilla: voy a explicar algo que es bastante común que la gente no entienda o entienda mal, y que, al fin y al cabo, es física bastante básica. Hoy voy a hablar de la ley de la gravedad, de la Estación Espacial Internacional (EEI), de astronautas flotando por el espacio, de Newton y manzanas y de la ingravidez: todo esto en unos pocos párrafos. Para hacerlo me basaré un poco, igual que ya he hecho otras veces, en cómo cuentan la historia en la genial serie El Universo Mecánico.

Todos habéis visto alguna vez algún vídeo en el que salgan astronautas [1] en órbita alrededor de la Tierra, como el que pongo un poco más abajo. La imagen es clara: los astronautas están tranquilamente flotando dentro de la nave y haciendo el moñas porque allí donde están no hay gravedad. Pero, ¿es esto así? Con este escrito espero que os quede claro que la respuesta es no. Me temo que para terminar esta misión con buen pie, tendré que hacer alguna cuenta que otra, pero, antes de que os entren los temblores de piernas, os prometo que las usaré lo mínimo posible y que serán siempre muy fáciles. Ahora mirad el vídeo:

Cómo va eso de la gravedad

Muchos recordaréis que la gravedad es conocida desde la noche de los tiempos, pero descrita simplemente de algún modo parecido a “todo lo que sube baja”. Mucho tiempo después, en el Siglo XVII, Isaac Newton logró explicarla de una manera muy elegante que, de hecho, para muchísimas aplicaciones a escala humana, sigue siendo perfectamente válida; esto, por supuesto, supuso un salto gigantesco en el conocimiento humano. Mucho más tiempo después, a principios del Siglo XX, Albert Einstein revolucionaría la física con una nueva explicación de la gravedad que es, de hecho, mucho más exacta y que describe el universo mucho mejor que la de I. Newton, pero eso es harina de otro costal y para el tema de hoy, con la Ley de la Gravitación Universal de Newton nos basta.

Todos sabemos que si soltamos una piedra a una cierta altura, caerá hacia abajo hasta llegar al suelo. El caso es que si el experimento lo hace una persona al otro lado del mundo (que es redondo, no olvidemos) pasa lo mismo: su piedra también cae hacia abajo hasta el suelo. Sin embargo a nosotros, desde aquí, nos parecería que la piedra cae hacia arriba (Figura 1(a)). ¿Un lío? Si hacemos caso a Newton, no. Su ley de la gravedad nos dice que absolutamente todos los cuerpos que hay en el universo se atraen entre sí. Yo atraigo al ordenador en el que escribo esto y el me atrae a mí, la silla a mi culo y el culo a la silla, la mesa a la puerta y viceversa. Esta atracción es tanto más fuerte cuanto más masa tengan los cuerpos en cuestión. Definir la masa no es trivial, pero para este artículo podemos considerar que cuanto más pesado sea un cuerpo, más masa tiene. Como el cuerpo más pesado que hay a nuestro alrededor es la Tierra, su atracción gravitatoria es la que notamos con más facilidad, es la más fuerte [2]. De hecho, como queda claro si miráis la Figura 1(b), la Tierra nos atrae (a nosotros y a la piedra que estamos soltando) hacia su centro, no hacia abajo. Además, Newton nos dice que la fuerza de la gravedad es más debil según nos alejamos del centro de la Tierra, con lo que se podría pensar que los señores de la Estación Espacial Internacional, que están bien lejos, no tienen gravedad.

Figura 1.

Ahí donde tú estás, hijo mío, ¿hay gravedad?

Vamos a echar unas cuentas para ver cómo de fuerte es la fuerza de la gravedad donde está la EEI en comparación con la fuerza de la gravedad en la superficie de la tierra. Antes he dicho que la fuerza de la gravedad dismuye según nos alejamos de la Tierra. Para ser un poco más precisos, la fuerza de la gravedad disminuye proporcionalmente a la distancia al centro de la Tierra al cuadrado [3]. El radio de la Tierra (es decir, la distancia entre la superficie y el centro) es más o menos 6400 Km. La EEI está unos 400 Km más lejos aún, es decir, a unos 6800 Km de distancia del centro de la Tierra. Dicho de otra manera, la EEI está 1.0625 veces (es decir un 6.25%) más lejos del centro de la Tierra que los que estamos en su superficie. Como la fuerza de la gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia al centro de la Tierra, allí donde está la EEI, la fuerza de la gravedad será 1/(1.0625)^2=0.89, o lo que es lo mismo: la fuerza con la que la Tierra atrae a la EEI en órbita es un 89% de la fuerza con la que la atraería si estuviera en la superficie de la Tierra. Esta misma cuenta se puede hacer para cualquier cuerpo de cualquier masa, de modo que se puede concluir que la aceleración hacia el centro de la Tierra en la órbita de la EEI es sólo un 11% más pequeña que en la superficie de la Tierra. De decir, que no hay tanta diferencia, y que, desde luego, no se puede decir que allí donde está la EEI no hay gravedad. Entonces, ¿por qué no se caen?

Órbita terrestre, Newton, una manzana y la Luna.

Lo más probable, por lo visto, es que el famoso episodio de que Newton estuviera sentado bajo un arbol, le cayera una manzana en la cabeza, y así se le encendiera la bombilla para formular su Ley de la Gravitación Universal, no haya pasado nunca, al menos así. No obstante, esta historia nos cuenta que Newton fue el primero en darse cuenta de que la fuerza que hace que una manzana madura caiga del arbol, y la fuerza que hace que la Luna orbite alrededor de la Tierra, son en realidad la misma fuerza.

Imaginemos la siguiente situación. Igual que antes, cogemos una piedra y la soltamos en el aire. La piedra, como sabemos cae al suelo porque la Tierra la atrae a su centro. Si ahora tiramos la piedra hacia delante, horizontalmente, la piedra se aleja de nostros a una velocidad constante [4] y, al mismo tiempo, se acerca al suelo debido a la fuerza de la gravedad hasta que , en algún momento, pega en el suelo y se para. Si tiramos la piedra con más fuerza pasará lo mismo, pero la piedra llegará al suelo un poco más lejos de nosotros. Si la tiramos con más fuerza aún, se repite la jugada, pero llegando aún más lejos. Si pudiéramos lanzar la piedra con suficiente fuerza, llegaría un momento en el que pasaría un fenómeno muy interesante. La piedra comenzaría a ser atraída hacia el centro de la Tierra por la gravedad terrestre, es decir, comenzaría a caer. Sin embargo, la piedra habría avanzado tal distancia horizontalmente (recordemos que hemos tirado la piedra muy, muy fuerte) que, puesto que la Tierra es redonda, su superficie también está ahora más abajo de la horizontal de lo que estaba. En otras palabras: la trayectoria de la piedra se curva por la gravedad terrestre, y la superficie de la Tierra tambien es curva, de modo que la distancia entre la piedra y la superficie de la Tierra es constante, y la piedra sigue dando vueltas a la Tierra indefinidamente: ¡ha entrado en órbita! [5] En la Figura 2 he hecho un dibujito con el que espero que esto se entienda un poco mejor.

Figura 2.

Por esto es que los astronautas de la EEI no caen sobre la superficie de la Tierra. Sí que están cayendo hacia el centro de la Tierra: ¡están en caída libre, de hecho! Pero su velocidad horizontal es tan grande que el ritmo al que son atraídos hacia la Tierra es igual al ritmo al que la superficie de la Tierra se separa de ellos.

La última pregunta sería: ¿por qué si están cayendo se les ve flotar en las imágenes? Eso se debe a que no son sólo los astronautas, sino toda la EEI la que está cayendo constantemente hacia el centro de la Tierra. Cuando estás sentado en una silla, estás siendo atraído hacia la Tierra, pero la silla te impide moverte hacia abajo (y a la silla, que también está atraída hacia el centro de la Tierra, se lo impide el suelo, y así sucesivamente). Sólo notas la fuerza de la gravedad como la presión que la silla te hace en el culo. Si, por el motivo que sea, por chulería, por impresionar a una extranjera, saltáramos de un avión sentados en nuestra silla, como los dos, silla y persona, están en caída libre, ya no notaríamos tal presión en el culo y, de hecho, estaríamos con respecto a la silla, en la misma situación que los astronautas del vídeo de antes.

De hecho, este experimento imaginado es algo que puede uno probar en sus propias carnes, por ejemplo, en La Lanzadera del Parque de Atracciones de Madrid y otras atracciones análogas. También es en lo que se basa el sistema de entrenamiento en ingravidez para los astronautas. Te suben en un avión a todo meter todo lo alto que pueden, y luego dejan caer el avión en caída libre. Durante el rato de caída libre del avión, los que estén dentro reaccionan como lo hacen los astronautas de la EEI. En el vídeo, con el que me despido, podéis ver un ejemplo de este tipo de entrenamiento. Espero que todo este rollete os haya servido para entender mejor qué es eso que les pasa a los astronautas de la EEI y qué relación tiene con la Luna, con Newton y con la famosa manzana.

NOTAS:

[1] Estaba tentado de utilizar el término cosmonauta en lugar de astronauta por mi (erronea) creencia de que los astronautas eran gente que iba a otros astros, es decir a otros cuerpos celestes, y cosmonautas eran aquellos que sólo iban al espacio, sin posarse en ningún otro planeta, satélite o asteroide. Una rápida búsqueda en la Wikipedia me ha servido para descubrir que, simplemente, cosmonauta es la palabra más de moda en los países de influencia rusa, astronauta en los de influencia (básicamente) americana, y que luego hay gente que dice taikonauta, que es un neologismo mezclando chino y griego.

[2] Obviamente, nosotros estamos atrayendo a la Tierra con exactamente la misma fuerza hacia nosotros, pero siendo la Tierra tan grande como es, y habiendo gente por toda su superficie, no podemos notar esa atracción que ejercemos sobre el planeta.

[3] En este punto es cuando sería muy cómodo echar mano de las fórmulas y hacer las cuentas en serio, que es lo más fácil. Pero como me he propuesto reducir la presencia de ecuaciones al mínimo (cero si es posible) para no espantar a los débiles de espíritu,voy a intentar explicarlo sólo con palabras. ¡Al toro, que es una mona!

[4] Como no hay ninguna fuerza actuando en la dirección horizontal, por el principio de inercia, la velocidad en esa dirección es constante.

[5] Como antes, por el princpio de inercia, en cada instante, no hay ninguna fuerza que actúe en la dirección paralela a la superficie de la Tierra, a la trayectoria de la orbita. Como la velocidad siempre es paralela (o tangencial, si se quiere) a la superficie de la Tierra, esto significa que el módulo del vector velocidad (la velocidad “en número”, sin tener en cuenta la dirección) no cambia. La aceleración debida a la gravedad lo que hace es sólo cambiar la dirección de la velocidad. Así que, si no tenemos en cuenta la posible fricción por del aire, la piedra sigue dando vueltas indefinidamente alrededor de la Tierra, gracias solamente al impulso incial. Gracias a Óscar Alonso por indicar que esto último no estaba claro.

5 comentarios

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  1. Javi said, on 12 octubre 2012 at 13:38

    la velocidad norizontal, es lo que tiene que ayuda mucho… :-p

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    • thetuzaro said, on 16 octubre 2012 at 16:56

      Ya tiene que venir alguno a buscar la peguita😉

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  2. faneclipses said, on 22 mayo 2013 at 10:39

    yo me subo un poco de agua a la Lanzadera del parque de atracciones.

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    • thetuzaro said, on 22 mayo 2013 at 10:47

      Hola, faneclipses:

      Gracias por pasarte y comentar.

      Ya he visto tu foto en Facebook con las gotas haciendo lo mismo que hacen las gotas de agua de los habitantes de la EEI. Muy buena foto y muy buena idea la de hacer ese experimento en la lanzadera. Felicidades!

      Un saludo.

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  3. faneclipses said, on 8 abril 2014 at 13:05

    Aquí esta mi video del experimento científico de la lanzadera, con mucho cariño y dedicación:

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