sábado, 10 de diciembre de 2011

No astronaut left behind

La Estación Espacial Internacional está en órbita de la Tierra, un recorrido casi circular a unos 350 km de altura. La estación se mantiene allí arriba no porque esté volando como un avión, con sus motores encendidos, sino porque está girando alrededor de la Tierra a gran velocidad, como la Luna. El viejo Newton ya lo explicó: si se lanza un proyectil horizontalmente con la velocidad suficiente, a medida que cae, la superficie de la Tierra se curva debajo de su trayectoria. Con la velocidad suficiente, el proyectil se mantiene permanentemente en "caída libre". ¡Eso es caer con estilo, sin dar nunca contra el suelo! En la época de Newton esto no era más que un "experimento pensado", un Gedankenexperiment como los llamaba Einstein, porque no existía una plataforma suficientemente alta para lanzar el proyectil por encima del efecto de la fricción del aire. Pero así es como "vuelan" hoy en día los satélites artificiales, como comentábamos hace poco en ocasión del lanzamiento del SAC-D.

350 km es bastante alto, nadie podría respirar allí arriba. Pero aún así hay un poquitititito de aire, y esa pequeñísima fricción le va haciendo perder velocidad, y por consiguiente altura, a la Estación. Lo mismo les pasa a todos los satélites artificiales en órbita baja, y por eso cada tanto nos enteramos de alguno que cae al terminar su vida útil (como el UARS y el Rosat hace pocos meses). En Heavens Above, un sitio donde puede consultarse la órbita de cualquier satélite, tienen este gráfico que muestra la evolución de la altura de la Estación. Se ve que, cada tanto, usan un cohete para darle un empujoncito. No vaya a ser que se caiga. Seguro que sobre Bariloche, este año, para colmo de males ;-)

Los astronautas a bordo de la Estación Espacial viven en un estado que comúnmente se llama de "ingravidez", pero que estrictamente se llama "caída libre", por la misma razón que dijimos arriba. Ellos mismos están en órbita alrededor de la Tierra junto con la Estación y con todo el equipo. Todos a la misma velocidad, en la misma órbita. De manera que pueden flotar lo más contentos mientras reflexionan sobre la Primera Ley de Newton: Un cuerpo en reposo permanece en reposo mientras no exista una fuerza externa neta actuando sobre él. El astronauta siente la gravedad de la Tierra y la fuerza centrífuga, que se compensan para mantenerlo en órbita, de manera que la fuerza neta es cero. Sin fuerza no hay aceleración, sin aceleración no hay peso. (Sí, dije centrífuga, que nadie se espante.)

Cuando prenden los cohetes para hacer subir la Estación, la fuerza neta sobre la Estación deja de ser cero, y por eso cambia de órbita. ¿Cómo sienten ésto los astronautas? En octubre pasado los astronautas de la Expedición 29 hicieron un video durante el encendido de los cohetes, que se puede ver en Youtube. Está buenísimo. Vean y después seguimos.



De golpe, la Estación no parece esa cámara de ingravidez que tantas veces vimos. Parece un pozo por el cual los astronautas están cayendo. Mientras el astronauta se mantiene agarrado de las paredes, la fuerza impartida por el cohete a la estación se transmite a su cuerpo, y él mismo cambia de órbita junto con la Estación. Pero cuando se suelta, la fuerza neta vuelve a ser cero: sólo la gravedad y la fuerza centrífuga, que con sus dedos invisibles siguen actuando sobre su cuerpo. Entonces él sigue en su propia órbita mientras la estación se acelera a su alrededor. Pero, desde el punto de vista del astronauta, él no siente que la estación se acelera hacia arriba. ¡Él siente que está cayendo dentro de la Estación! Es decir, siente peso. Un peso ligerísimo, como se puede ver, pero peso al fin. Entre el tiempo 0:50 y el 1:10 se ve al Sr. Furukawa recorrer la longitud del primer módulo, que parece medir unos 4 metros. Si recordamos del libro de Fernández y Galloni que x = 1/2 a t2, y despejamos a, obtenemos a=0.02 m/s2. Es decir, un quinientosavo de la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra. Furukawa debe haber sentido como si pesara menos de un cuarto kilo.

El Principio de Equivalencia, que juega un rol fundamental en la Relatividad General, dice que los dos fenómenos son indistinguibles. Que es lo mismo estar parado en un campo gravitatorio o en una estación acelerándose. La masa gravitatoria y la masa inercial son la misma cosa. Se han hecho muchísimos experimentos delicadísimos para verificarlo, y siempre se ha encontrado esta equivalencia postulada por Einstein en 1915, que también fue un Gedankenexperiment en su época. Y que hoy en día los astronautas están acostumbrados a experimentar en sus propios cuerpos.

De la mecánica de Newton a la mecánica de Einstein. Además parece divertidísimo. Dan ganas de probarlo, realmente. Lástima que por ahora es un poco caro.


Gracias a Phil Plait, ya que vi el video en su excelente blog BadAstronomy, que no me canso de recomendar. La foto y el video son de la NASA, obviously.

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4 comentarios:

  1. Hola Guillermo, se sabe realmente "Que" es la Gravedad. Creo que solo se sabe "como" actua y/o "como" calcularla, ya sea con la Teoria de Newton o con la Relatividad de Einstein (curvatura del espacio tiempo alrededor de los cuerpos masivos).
    Pero "Que es" ? (Graviton ?) a si mismo "que" es la Fuerza y "que" es la Masa.

    Saludos
    Angel

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    Respuestas
    1. Hola Ángel. La pregunta "qué es" no siempre es la más adecuada en la Física. La respuesta en general remite a una nueva pregunta. Lo cual a veces está muy bien (porque abre nuevos horizontes de comprensión, por ejemplo), pero otras veces es insatisfactorio. Así que por un lado podemos decir perfectamente que la gravedad es una acción a distancia que ejercen los cuerpos masivos, o que es la curvatura del espacio-tiempo que porducen los cuerpos masivos. Esas respuestas son perfectamente válidas, y se complementan con infinidad de detalles acerca de, por ejemplo, exactamente de qué manera se curva el espacio-tiempo, y cómo afecta esta curvatura el movimiento de los cuerpos. Pero hay gente que se quedará insatisfecha, y sospecho que serás uno de ellos.

      Por otro lado, sabemos que nuestra comprensión de la estructura de la materia y las interacciones es incompleta: el Modelo Estándar de partículas y campos no incorpora a la Gravedad. Es decir, sabemos que es una teoría provisoria, y por supuesto existen propuestas alternativas para ir más allá (no reemplazarla, por cierto). Pero el Modelo Estándar funciona tan bien, y la Relatividad General (que es la teoría de la Gravedad) funciona tan bien, que nadie sabe cuál de las alternativas será la correcta. "Funciona bien" significa que satisface todas las mediciones experimentales, con precisión asombrosa, sin igual en toda la historia de la humanidad. Es muy satisfactorio por un lado, pero un poco decepcionante porque este mismo éxito aleja (sin que sepamos hasta dónde) la posibilidad de mejorar las teorías actuales.

      Para dar una nota de actualidad: los experimentos en el acelerador LHC por ahora no dan ningún resultado acerca de la existencia de las posibles "partículas supersimétricas" que apuntarían en la dirección de que la Teoría de Cuerdas sería la alternativa correcta para incorporar la Gravedad a la actual teoría de la materia y las interacciones. Como todo resultado negativo, deja un sabor amargo...

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  2. Guillermo, muchas gracias por tu respuesta y aclaracion de algunas cosas.
    Desde chico quiero saber y/o entender que es la gravedad y aunque Newton y Einstein (algo mas inteligentes que yo... jeje), la explicaron (a mi entender (que no es mucho) solo como actua) creo que hubieran querido saber mas, de hecho Einstein trato de unificar esta con las otras fuerzas fundamentales y no llego.
    En el LHC me parece que habian visto una particula que era compatible con el boson de Higgs, este explicaria la masa de la materia no ?.
    Guillermo, se que ya me estoy metiendo en un terreno donde ya debiera estudiar la carrera de física de partículas, para entender todos estos temas... jeje
    Una vez lei en un libro de física que el tiempo es aquello que cuando nos preguntamos Que es ? dejamos de saberlo…
    Sera la gravedad como el tiempo ?
    Un abrazo y de nuevo agradezco el tiempo que dedicas para divulgar la ciencia !!!
    Angel

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  3. Gracias Guillermo!, si es muy interesante este tema... el misterio del fenomeno fotoelectrico es por lo cual premiaron a Einstein con el Nobel me parece...

    Un abrazo
    Angel

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