The Universe in the Classroom

www.astrosociety.org/uitc

No. 34 - Spring 1996

© 1996, Astronomical Society of the Pacific, 390 Ashton Avenue, San Francisco, CA 94112.

Subiendo, Subiendo y Saliendo

por James J. Secosky, Bloomfield Central School
y George Musser, Astronomical Society of the Pacific

¿Quiere irse de excursión al espacio? Pues solamente cambie los canales en cablevisión. El canal de pronósticos del tiempo, los noticieros de CNN, los reportajes de deportes ESPN: todos ellos dependen de satélites que están en órbita alrededor de la Tierra. O llame a sus amigos en Mauricio, Madagascar o Maui: un satélite transmitirá su voz. ¿Le preocupa la perforación en la capa de ozono sobre la Antártida o las tumbas multitudinarias en Bosnia? Estaciones en órbita están observando. El reto hoy en día es encontrar algo que no involucre satélites de una u otra manera.

Y los satélites son solamente una de las ganancias de la era espacial. Más lejos, sondas espaciales robotizadas han examinados todos los planetas excepto Plutón, conduciéndonos a una revolución en las ciencias terrestres---del estudio de placas tectónicas a modelos del calentamiento de la Tierra---ahora que los científicos pueden comparar nuestro mundo con sus hermanos planetarios. Más de 300 personas de 26 países han ido al espacio, incluyendo 24 astronautas que fueron a la Luna o cerca de ella. ¿Quién sabe cuántos irán en los próximos cien años?

En pocas palabras, los viajes espaciales han llegado a ser parte de nuestras vidas. ¿Pero qué pasa detrás del escenario? Resulta que los satélites y las naves espaciales dependen de algunos de los conceptos más básicos de física. De manera que los viajes espaciales no son solamente algo divertido en que pensar, sino también una base sólida en muchos de los principios que gobiernan nuestro mundo y nuestro universo.

5...4...3...2...1...
Vida en Órbita
Conectándose
Nos Inclinamos a Coincidir
Al Planeta Rojo
Gracias por el Aventón
¿Qué Tan Rápido Debemos Ir?
Actividad: Una Órbita en tu Mano
Actividad: Inclinación Orbital

5...4...3...2...1...

La ciencia del viaje espacial empieza con la tercera ley de Newton del movimiento: A cada acción corresponde siempre una reacción igual y opuesta. Es por esto que los cohetes suben. La acción de los gases calientes de escape de los motores del cohete crea una reacción igual pero opuesta, que empuja el vehículo hacia adelante. Mientras más alta sea la velocidad o la masa de los gases de escape, mayor es el impulso. Los cohetes no se mueven porque se empujan contra el suelo o el aire; después de todo, funcionan en el vacío del espacio donde no hay nada contra que empujar.

La misma tercera ley de Newton se aplica cuando te paras en una tabla de patinar o en patines en línea y avientas una pelota de baloncesto: la tabla de patinar o los patines ruedan en la dirección opuesta a la que estás aventando. Mientras más fuerte avientes la pelota o mientras más pesada sea ésta, más rápido rodarás hacia atrás.

Después del despegue, el cohete sube casi verticalmente para salir de la parte más densa de la atmósfera. Alcanza una altitud (200 kilómetros, o 120 millas) en la cual el aire es tan ligero que hay muy poca resistencia atmosférica. Una vez que se encuentra más arriba de la mayor parte de la atmósfera, el cohete se voltea hacia un costado y acelera a 28,000 kilómetros por hora (17,400 millas por hora). La velocidad horizontal es crucial, pues asegura que el cohete continúe moviéndose hacia adelante mientras la gravedad tira de él hacia abajo. Si la velocidad fuera más baja, el cohete se estrellaría en la tierra en alguna parte.

En este sentido, lanzar un cohete es como pegarle a una pelota de béisbol. Un golpe ligero tal vez lance la pelota cerca de la segunda base, un golpe más duro la haría llegar lejos del cuadro, un cuadrangular la volaría más allá de la valla. Si le pegas a la pelota lo suficientemente fuerte, ésta volaría sobre la valla, más allá del estacionamiento, sobre la carretera, el puerto, el océano Atlántico, África, el océano Índico, el océano Pacífico--- justo de regreso sobre el campo de béisbol, más allá del estacionamiento, sobre la carretera y así de nuevo y otra vez igual. Le habrías pegado a esa pelota para ponerla en órbita (ver Figura 1). La pelota siempre estaría cayendo hacia el suelo, pero tendría suficiente momento lineal hacia adelante para prevenir que tocara el suelo. Sin ninguna otra fuerza más que la gravedad, la pelota permanecería en órbita para siempre (ver Actividad 1). (En la práctica, una cantidad pequeña de atmósfera aún está presente inclusive a 200 kilómetros, así es que todos los satélites eventualmente disminuirán su velocidad y caerán a la tierra.)

Going, going, gone
Figura 1
Se va, se va, se fue. Durante un juego de béisbol entre los Yankees de Nueva York y los Tigres de Detroit en 1960, Mickey Mantle le pegó a la pelota tan fuerte en un cuadrangular, que ésta salió del estadio Briggs. Según Guinness, fue el cuadrangular más largo de la historia: 196 metros (643 pies). En principio, si Mick hubiera movido su bate un poco más rápido---150 veces más rápido---habría puesto la pelota en órbita. (En la práctica, la resistencia del aire habría derretido la pelota, metralla de los añicos del bate habría matado a los jugadores del cuadro interior, y Mantle se habría quedado el resto de la temporada con severas lesiones en el hombro). Las órbitas son exactamente como la trayectoria de vuelo de una pelota. La gravedad de la Tierra atrae a la pelota mientras que su velocidad inicial la transporta hacia adelante. Mientras más alta es la velocidad inicial, más lejos va la pelota antes de golpear el suelo. A una velocidad inicial suficientemente alta, la pelota puede darle la vuelta al mundo, y eso es lo que llamamos una órbita.

Como la pelota de béisbol en órbita, un satélite o transbordador espacial siempre está cayendo hacia el suelo---pero siempre sin acertar. Como se está cayendo, todo en él está cayendo; el resultado es la sensación de ingravidez, o cero-g. A las gentes parece encantarles esta sensación. Hasta pagan por experimentarla: saltos de bungees, saltos en trampolines, montañas rusas, caídas libres o —caídas del demonio… en los juegos mecánicos.

Vida en Órbita

El hecho de que los astronautas no pesen no quiere decir que no hay gravedad en el espacio. En realidad, la fuerza de gravedad mantiene a la Luna en órbita alrededor de la Tierra y a los planetas en órbita alrededor del Sol. La ingravidez simplemente quiere decir que los astronautas están en la caída libre del movimiento orbital. Los paracaidistas en caída libre y los que saltan en bungee también se sienten ingrávidos, pero ¿quién negaría que la gravedad tira de ellos?

Para que los astronautas se acostumbren a la ingravidez, la NASA los lleva de paseo en un aeroplano KC-134. Como una montaña rusa voladora, el KC-134 baja en una picada que produce 30 o 40 segundos de ingravidez. Todas las escenas ingrávidas en la película —Apolo 13… se filmaron a bordo de tal avión. Los astronautas también simulan trabajar en el espacio estando debajo del agua en tanques muy grandes.

A pesar de estos preparativos, los astronautas tardan en acostumbrarse a las raras condiciones de ingravidez. Al entrar en órbita, ellos no flotan inmediatamente hacia el techo. Como lo dice la primera ley de Newton del movimiento, se requiere una fuerza para hacer que las personas o los objetos se muevan. En cero-g, los objetos permanecen en donde se pusieron hasta que se les aplica una fuerza. Puedes dejar un lápiz suspendido en medio del aire y recogerlo después. Si los astronautas se encuentran sentados en medio de la cabina, muy lejos para empujarse de una pared, ahí se quedan estancados hasta que otro astronauta los empuja para moverlos.

Algunas veces los objetos en órbita son perturbados por fuerzas en las que normalmente no pensamos cuando estamos en la Tierra. Por ejemplo, el agua ingrávida se enrolla en una esfera debido a sus fuerzas internas de cohesión---las mismas fuerzas que causan la formación de gotas en un coche recién encerado. Los astronautas tienen que beber usando pajillas especiales que se cierran cuando no se usan; de lo contrario el líquido seguiría saliendo a chisguetes aun cuando el astronauta no estuviera chupándolo.

Tanto como maldecimos el peso en la Tierra, la ingravidez puede causar problemas fisiológicos a los astronautas en órbita. La mitad de todos los astronautas padecen mareos en los primeros días. Algunos vomitan. Los viajes espaciales que duran meses debilitan los músculos y los huesos. El cuerpo supone que no necesita más la fuerza adicional, descompone los músculos y los huesos y excreta los productos químicos a través de los riñones. Lo mismo sucede en la Tierra cuando las personas están confinadas a la cama; los que hemos tenido que usar un yeso sabemos como se debilita nuestra extremidad. El ejercicio contrarresta este trastorno del cuerpo.

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