09 enero 2013

Guía práctica para viajar por el espacio.




- ¿Por qué no viajan "directamente" hasta Mercurio? – Preguntaba una señora en un programa de radio británico ayer por la tarde a la vista del laberinto de líneas que explicaban la trayectoria de la nave espacial Messenger.


El motivo es obviamente la misión Messenger a Mercurio que habiendo sido lanzada en 2004, hacia el segundo planeta más cercano a la Tierra, (el primero es Venus), no llegará a establecerse en órbita hasta dentro de tres años más.


La explicación del locutor "científico" no me entusiasmó en lo más mínimo.

Así que comencemos por el principio…

Hay pocas leyes de la física menos entendidas y más obedecidas que las leyes de Newton.

Nos dicen, cuando tú empujas a la Tierra la Tierra te empuja a ti. Cuando tu avanzas hacia adelante empujas a la Tierra hacia atrás.

Pues todo esto es cierto.

Veamos que sucede cuando estas premisas no se cumplen a nuestra voluntad. Generalmente esto ocasiona accidentes y muerte.

Así de seguros estamos que se cumplirán.

Veamos algunos ejemplos.

Aquí no tenemos hielo en que patinar, pero todos hemos resbalado alguna vez. Pisos encerados, enjabonados, y hasta arena o aceite si el amable lector se desplaza en bicicleta o en un auto.

Patinazos.

Si quiere UD. desplazarse hacia la izquierda debe empujar hacia la derecha. Si no tiene como apoyarse, le será difícil moverse y si "realmente" no tiene "nada" en que apoyarse, le será imposible.

Si el amable lector está sentado en una silla giratoria, gire un poco por favor hacia su izquierda, seguramente notó que hace presión con su pié hacia la derecha. Acción y reacción o la Tercera ley de Newton.

Intente hacer lo mismo con los pies levantados del suelo y sin contacto con nada externo a la silla. ¿Más difícil, verdad? Aunque no imposible. La fricción de los rodamientos y el mismo aire permiten que el amable lector gire, lenta y dificultosamente, pero aún así se mueve.

Imagine un medio en que no haya fricción, ni aire que también, por supuesto, generaría rozamiento.

No puede apoyarse. ¿Cree que podría girar? ¿Avanzar, retroceder, moverse?

Permítame ayudarlo con la respuesta.
No.
No podría.

SI quiere desplazar su cuerpo de … ochenta kilos a 1 metro por segundo hacia adelante deberá hacer una fuerza equivalente a su cuerpo de igual magnitud hacia atrás… Si fuera caminando y le arrojaran una bolsa de su peso desde la derecha, lo desplazaría a la izquierda. Si lo que lo golpea es más grande, con más "masa" que UD. pues el amable lector saldrá despedido con una aceleración proporcional a la masa que lo golpeó. Es decir, no hay movimiento de otra forma. Intercambio, transferencia, acción y reacción.

Mejor aún, si está sobre una tabla con ruedas o patines o hielo o algún suelo con muy poca fricción y arroja un objeto hacia adelante, saldrá despedido hacia atrás con una aceleración proporcional al peso y aceleración de la masa arrojada. (Que también se moverá repartiendo el empuje, claro).
* (Recuerde esto para un poco más adelante)

Los cohetes son las únicas máquinas humanas que batallan contra la gravedad desnuda y bruta.
Los globos y los aviones simplemente "nadan" en el aire, pero los cohetes suben porque expulsan hacia abajo suficiente masa, con suficiente velocidad como para ir hacia arriba, en sentido contrario.

Una vez en el espacio, cumpliendo la primera ley de Newton, la inercia, el objeto si no es propulsado nuevamente o afectado por otra fuerza, seguirá para siempre en línea recta.

Pero viajar en el espacio no es siempre ir en línea recta. Y si está UD. pensando en naves con rayos láser que hacen complicadas maniobras como aviones de combate, la cosa se pone peor.

Si la nave pesa una tonelada y UD. quiere moverla deberá aplicar una "fuerza", (masa por aceleración), adecuada al cambio que quiere lograr. Aquí es donde la sagacidad del amable lector es clave. Sabe que si quiere empujar algo con poca masa deberá ejercer poca fuerza, y si quiere empujar algo muy masivo hará lo contrario. Si quiere acelerar mucho un objeto pequeño, aplicará una fuerza que le provoque una enorme aceleración.
(Como las ganas que tiene de lanzarme el mouse en este momento.)

* (Aquí aplicará su recuerdo reciente)

Entonces, ¿dónde está nuestro problema? En que el cohete ha consumido todo su combustible para poder salir de la Tierra y si quiere moverse en alguna dirección, pues debería "arrojar" un peso determinado a una velocidad determinada proporcionalmente al cambio en la trayectoria que quiere conseguir. Ese peso es, generalmente, combustible.

Pero la nave no tiene ahora más combustible que para girar, (como el amable lector en la silla), y apuntar sus cámaras hacia lugares interesantes. Como en el caso que nos ocupa, Mercurio.

Así que ahí vamos, sin rumbo, sometidos a la distorsión que aporta la gravedad en nuestra ruta. Afortunadamente, la gravedad es una fuerza en términos newtonianos, o al menos se comporta como tal. Así que podemos colocarnos de uno u otro lado de un objeto que tenga una gravedad considerable, es decir que pueda hacer una fuerza adecuada al cambio de ruta que queremos efectuar, y así movernos de acuerdo a nuestros deseos.

Podemos "intercambiar movimiento" con el planeta o satélite en cuestión y cambiar nuestro rumbo sin gastar un gramo de combustible. Como un ciclista cuesta abajo.

A medida que nuestra nave gana velocidad el planeta la pierde. Igual que si Ud choca con alguien que se mueve en dirección distinta y se ve desplazado contra su voluntad. O si juega muy bien al billar, (lo cual no es mi caso), y logra que la transferencia afecte a la bola a su antojo.
Pero recuerde el amable lector que estos intercambios son proporcionales a la masa y que la masa de la nave en comparación con un planeta es despreciable. Aún así, ese intercambio existe, aún cuando es muy pequeño como para ser mesurable en el planeta.


Como prueba de que existe dicho intercambio nuestra nave ha sido ahora acelerada o frenada o cambiada de ruta como queríamos si hemos hecho las cosas bien.

Si gusta del razonamiento del "hecho consumado", prácticamente "todos" nuestros viajes espaciales no tripulados han sido efectuados de esta forma. Hemos recorrido todos los planetas del sistema solar de esta forma. Los ocho. (Esto de ocho planetas, distancias en el universo y los viajes a la luna y extraterrestres serán futuras entradas de este blog si Uds. lo toleran).

Existen otras formas de aprovechar las fuerzas gravitatorias y las leyes de Kepler para efectuar cambios con poco combustible. Existen motores de iones que permiten efectuar empujes muy pequeños pero durante períodos de tiempo enormes y consiguen de esa forma aceleraciones constantes y velocidades finales muy grandes.

Este concepto de la aceleración es distinto a lo que estamos acostumbrados. Sabemos que si corremos muy rápido no podemos correr más rápido que eso. Nuestro concepto de aceleración está ligado al pedal de un auto o al manubrio de una moto o al mando del joystick. Pues no funciona exactamente así.

Si UD. fuera a la máxima velocidad que una nave terrestre haya alcanzado, en el espacio vacío, lejos de cualquier planeta o estrella que modificaran su trayectoria y quisiera acelerar un poco más y viera que ya no hay combustible podría pensar que es imposible. Pero UD. tiene un millón de granos de plomo con una masa de un gramo cada uno. Toda una tonelada de plomo, o de plumas, para el caso es lo mismo excepto por el volumen.

a) Si arroja esa tonelada hacia atrás aumentará la velocidad hacia adelante, (aceleración), en la magnitud proporcional a la velocidad de la masa arrojada.

b) Pero puede hacer algo más inteligente y es arrojar cada granito de plomo o cada pluma a una velocidad un millón de veces mayor que la tonelada completa. De esta forma ganaría mucho tiempo de aceleración, con el mismo resultado que el total anterior "lento" para cada grano de plomo o pluma.

Pues los dos ejemplos podrían representar los motores de cohetes actuales (a), o los de iones (b).

Pues ahora es claro que los viajes por el espacio son un poco más complejos de lo que vemos en algunas películas, pero son realizables. Y lo mejor, recién comienzan. Hace quinientos años, la única forma de cruzar el Atlántico,(el mismo Atlántico que hundió al Titanic), eran unas cáscaras de nuez del tamaño de un camión con acoplado que llamábamos carabelas.
En quinientos años, aún con tragedias como la del Challenger o el Columbia, nuestros descendientes no podrán creer que utilizábamos estas "cosas" para ir al cielo y menos aún que esa era la última tecnología.

(Probablemente en quinientos años no puedan creer que mientras mucha gente tira comida se muere de hambre una persona cada cinco segundos). A veces avergüenza ser humano.

Luego de este recreo, permítanme mostrarle unos gráficos de las trayectorias del Messenger en su largo camino a Mercurio.

Y espero humildemente que ahora sea más simple para el amable lector entender el motivo de estos laberínticos caminos del espacio. (Si gusta de los laberintos intente seguir la trayectoria con el puntero del mouse y las referencias de color).

Las órbitas del Messenger


(Si bien es un artículo que tiene varios años, igual está bueno para leerlo)


Fuente: Al alcance de la razón