Serie «Cómo funciona el cosmos». Capítulo primero: ¿Qué significa estar en órbita?

Cuando hablamos de poner cosas en órbita, de la ingravidez, la microgravedad y cosas así me he dado cuenta de que en general, no nos han explicado bien en que consiste eso de salir al espacio. Como paso primero, vamos a revisar lo que sabemos de mecánica orbital e iremos ampliando conceptos sobre el tema a modo de glosario para iniciados, y así poder entender mejor otras entradas del blog. Para eso empezamos hoy con la serie “Cómo funciona el cosmos”.

Para empezar, todos sabemos que es la gravedad. Esa fuerza mágica descrita por la ciencia hace apenas unos siglos y que conocemos por experiencia desde que éramos primates antes de bajarnos de los árboles, es la causante de nos caigamos, nos aplasten los pianos que caen desde balcones, reentren los satélites de Starlink y que la Luna siga en su sitio.

Hay dos formas de ver el problema, la mecánica clásica (la física que estudiamos en el cole) y la mecánica relativista (esto ya requiere estudiar a Einstein), pero a efectos de lo que necesitamos saber, nos vale con la primera.

Para la mecánica clásica, la gravedad es una fuerza que aparece entre dos masas cualesquiera y que es más fuerte a más grande sean y más débil cuanto más separen y que tiene su formula asociada que me voy a ahorrar para no aburrir al respetable.

Según esta fórmula, la fuerza que soporta un señor vestido de cosmonauta en su casa de Zviozdni Gorodok (ciudad de las estrellas), cerca de Moscú, es de 9.81m/s2. Si te suena este numero es que estabas atento en clase. Pero si recalculamos la fuerza de la gravedad en ese mismo señor, y que ahora está a bordo de su estación espacial a 400 km de altura (vamos a redondear que es lo que les gusta a los físicos) tenemos que es de 9.23 m/s2. Recórcholis, la fuerza es casi la misma, ¿cómo es posible que el señor astronauta no caiga?

Ahí está la clave de porque decimos estar en órbita y en microgravedad y no es correcto decir en gravedad 0 o en ingravidez. Sabemos que lo de estar en órbita significa dar vueltas, a la Tierra en este caso, y es eso lo que realmente hace que el astronauta flote y la ISS (International Space Station) y no se precipite a tierra, porque caer, si cae.

La velocidad del astronauta cuando da vueltas es la clave del asunto.

Cuando lanzamos un cohete al espacio, la velocidad que alcanza no es para llegar antes. La necesidad de usar cohetes es, precisamente, para alcanzar lo que se denomina “velocidad orbital” o como lo llamaban los soviéticos “primera velocidad cósmica”, que varía según el planeta del que queramos escapar, y vale 3.02 km/s para la tierra (ojo, kilómetros por segundo o 10900 km/h). Es la velocidad que debe alcanzar un satélite o una nave espacial para no caer al suelo, es decir, para caer tan lejos, que la tierra ya se ha curvado y caer más allá.

La ISS viaja a 27700 km/h, por lo que, para llegar a ella, nuestro cohete tiene que ponerse a esa velocidad. La ISS no viaja a esa velocidad por casualidad. Esta es un compromiso entre la velocidad necesaria para no caer a tierra y no salir volando hacia las estrellas.

¿Por qué viajar a tanta velocidad? Para saber lo que experimentan los astronautas debemos imaginar dos cosas y después unirlas. Primero debemos imaginar que subimos a una montaña rusa en un vagón cerrado y sin ventanas, cuando llegamos a la caída principal notamos como las tripas nos suben. Si prolongásemos esta caída de forma indefinida, no pudiésemos ver el exterior de nuestro vagón y todo a nuestro alrededor cayese al tiempo (el boli del bolsillo, las monedas, las gafas, o un vaso lleno de agua), al cabo de un rato no podríamos saber si caemos o flotamos. Eso es exactamente lo que les pasa los habitantes de la ISS.

Ahora viene el segundo esfuerzo imaginativo. Supón que tienes un brazo hercúleo y lanzas una piedra… que demonios, ¡eres Hércules! así que lanzas directamente una nave espacial. Bien, lanzas la nave y como no has merendado hoy, al cabo de describir una bonita parábola, cae al suelo. A más fuerza le imprimes, más lejos cae.

Tipos de órbita
Orbita de newton. Wikipedia

Los lanzamientos a y b terminan en colisión contra el suelo, el c ha cogido tanta velocidad, que cuando empieza a caer al suelo, la tierra ya se ha curvado debajo de él, coincidiendo esta curvatura con la caída del objeto, por lo que ambas son paralelas, dando como resultado que el objeto cae continuamente y nunca toca el suelo. Es decir, estár en órbita. Pero ojo, seguimos estando dentro de la influencia de la gravedad terrestre. A 400 km de altura apenas hay diferencia, y la Luna, a sus 380000 km sigue estando dentro de esta influencia. Es más, esta, exactamente igual que la nave espacial, en órbita alrededor de la Tierra.

Lo que pasa es que la gravedad atrae a la nave y esta cae al suelo, pero va tan rápido que al caer, la tierra ya se “doblado” y la nave no “encuentra” el suelo, por lo que sigue cayendo y así indefinidamente. ¡ Chupaos esa terraplanistas!

Al imprimir aun más fuerza, la nave hará órbitas cada vez más grandes, separándose de la tierra cada vez más hasta llegar a la “segunda velocidad cósmica” o velocidad de escape, que es la necesaria para salir de la influencia gravitatoria de la tierra y ponernos en órbita alrededor del Sol. Esta es, para objetos que lanzamos “de un golpe”, no para cohetes, 11200 m/s (ojo otra vez, metros por segundo, 11,2 km/s) o de 40319.97 km/h.

Si combinamos la trayectoria y velocidad de caída, con los efectos de una caída infinita, tenemos que estar en orbita es exactamente lo mismo que decir que estamos cayendo de forma continua. Lo que ves en las imágenes de la ISS no es gravedad cero, es caer de forma continua.

tres tipos de caida libre
Estas personas están experimentando el mismo efecto. Solo el paracaidista es consciente de que cae al poder ver referencias en su entorno y apreciar cambios de altura. 1-Stephen Hawking (centro) experimenta gravedad cero durante un vuelo a bordo de un avión Boeing 727 modificado, propiedad de la Zero Gravity Corporation. Jim Campbell/Aero-News Network. 2-Ejército del Aire Ministerio de Defensa España. Escuadrón de Zapadores Paracaidistas. Paracaidista HALO HAHO. 3-Catherine Coleman en “ingravidez”. Pixabay.com

Asique ya lo sabes, cuando la luna se mueve, lo que hace es caer hacia la tierra. Su velocidad, de 28 días por órbita, es lo que hace que la caída no acabe en la Tierra, si no en el punto de partida y se repita el ciclo una y otra vez. No esta flotando en el espacio, esta cayendo en el espacio, igual que la Tierra cae al Sol y éste al centro de la galaxia. Pero no se mueve en línea recta, si no en “tiro parabólico”.

No es que una mano mágica o divina nos haya empujado así. Los procesos de formación de las estrellas, planetas y lunas, así como sus empujones y tirones gravitatorios entre ellos, han determinado las velocidades y posiciones que, al final de muchas peripecias, se quedan estabilizadas en las cómodas y organizadas orbitas que conocemos hoy y parecen hechas adrede para nosotros.

Mi consejo, cuando salgas y veas la luna o la ISS pasar por encima de tu cabeza, piensa que los galos no estaban tan equivocados, el cielo te está cayendo encima, pero afortunadamente, cae un poco más allá del borde del planeta.

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La cara oculta de la luna o acoplamiento de marea

El “acoplamiento de marea” es un fenómeno habitual que tiene un nombre muy científico y que consiste en lo que, comúnmente, vemos todas las noches, que la luna siempre nos muestra el mismo lado.

Probablemente sepas ya que esto se debe a que el periodo de rotación y traslación de la luna, son idénticos. Es decir, su día y su vuelta a la tierra, duran 28 días. Es común creer que el satélite no tiene movimiento propio, pues no lo percibimos, os recomiendo esta animación de Carlos Pazos de MolaSaber que es muy ilustrativo.

Quizá por la fuerza de la costumbre, no nos hemos preguntado a qué se debe este fenómeno. Quizá sentimos más curiosidad por saber cómo es la cara oculta que por saber la razón por la que no vemos la cara oculta.

Como dato curioso, cualquier parte del sistema solar es visible desde la tierra. En teoría y gracias a la rotación de los cuerpos, hemos podido ver los planetas, sus lunas, el sol y asteroides, antes que la cara oculta de la luna que, hasta 1959, no conseguimos ver. Por la misma razón, es el lugar indicado del sistema solar para hacer radioastronomía, ya que toda la luna actúa de pantalla ante las ondas de radio procedentes de la tierra.

Como decíamos, este fenómeno que oculta o muestra una cara de la luna se llama “acoplamiento de marea” y el nombre es de lo más indicado. Todos conocemos el efecto de la gravedad lunar en nuestros días de playa, en los que, si andamos despistados, se nos moja la toalla o se nos plantan 20 líneas de veraneantes delante del mar. Las mareas se producen por la gravedad lunar, y solar en menor medida, y éstas son las responsables del acoplamiento de marea. Bueno, técnicamente las mareas que la tierra produce en la luna, que también las hay.

No podemos ver las mareas en la luna (a simple vista) ya que no hay mares líquidos que “suban y bajen”, pero la tierra sólida (¿o debería decir la Luna sólida?) también sufre esa marea en las rocas que la componen. Esto se traduce en que la luna se abomba en dirección a la tierra por efecto de la marea, y se producen unos bultos en eje tierra-luna. Estos bultos deben desplazarse por la luna a medida que esta rota, pero como necesita un cierto tiempo para alcanzar el equilibrio (la luna rota más rápido que el bulto se mueve por la superficie), el bulto se desplaza ligeramente de este eje (por delante o por detrás en función del periodo de rotación y traslación del satélite). Finalmente, estos bultos desalineados, son masas que ejercen fuerzas de atracción que, simplificando, son las fuerzas que frenan la rotación de la luna poco a poco hasta que se consigue el acoplamiento y estas fuerzas desaparecen, al no seguir moviéndose los bultos respecto del eje tierra-luna.

No desesperes si no lo entiendes, aún no hemos dicho a qué se deben los bultos, sólo que existen. Entendemos su existencia porque vemos las mareas, podemos experimentarlo. La razón de la aparición de las mareas es que cada trozo de materia, tu y yo incluidos, experimentamos la fuera de la gravedad de la luna. Si pudiésemos encenderla y apagarla por arte de ciencia, lo notaríamos más, pero al vivir inmersos en su campo gravitatorio, no lo notamos porque no cambia. Sin embargo, cuando la tierra y la luna se mueven y rotan, sus posiciones cambian y por lo tanto la dirección a la que nos vemos atraídos. Puesto que las fuerzas se dirigen al centro de cada cuerpo (por simplificar, ya que el total es el efecto de la suma de fuerza de cada partícula hacia cada partícula de ambos objetos). Como consecuencia, todo lo que no está alineado en el eje que une ambos objetos ejerce fuerza hacia el eje comprimiendo todo desde ambos lados del eje hacia el eje, es decir generando por presión ambos bultos. Algo así como coger un globo de agua y apretarlo cerrando la mano, se hará una salchicha que saldrá por arriba y por debajo de nuestra mano, como los bultos de las mareas.

Además del fenómeno visible, se producen otros, como el alejamiento del satélite y la modificación de la duración de los días en la tierra. Pero eso es tema para otra entrada.

Los satélites cercanos a los grandes planetas son candidatos idóneos para presentar este fenómeno. Nosotros, sólo hemos experimentado visualmente el fenómeno en la luna, pero es muy común en el universo (me atrevo a decir, aunque la mayoría de los ejemplos que se conocen están en el sistema solar), por ejemplo, todas las grandes lunas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, la propia luna, Caronte con Plutón, mercurio con el Sol. Sí, también se da en planetas. Incluso Plutón con Caronte, es decir, de planetas con sus lunas. También se conocen casos fuera del sistema solar.

Grácias a Máximo Bustamante por prestarme su material para ilustrar esta entrada y otras partes de la web.

Mi consejo, sal a pasear esta noche, mira a la luna y piensa que no vimos su otra cara hasta 1959 y que, únicamente 27 astronautas la han visto en persona debido al acoplamiento de marea.

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