viernes, 19 de septiembre de 2008

GRAVEDAD A LA CARTA


Los viajes al espacio son un tema peliagudo, chorlitos. Aunque los humanos intentan por todos los medios que las condiciones de vida en una nave espacial sean lo más parecidas posible a las de la Tierra, no pueden imitarlas todas. Y la que les da más problemas es la falta de gravedad, que hace que las cosas floten si no están bien sujetas y que los cuerpos se atrofien (el vacío espacial también da muchos problemas, pero ése es un tema para tratar en otra ocasión). En la ciencia-ficción han corrido ríos de tinta elucubrando sobre formas de conseguir gravedad artificial, desde «generadores» de fuerza gravitatoria basados en dudosos «principios físicos», hasta enormes estaciones espaciales giratorias que aprovechan la fuerza centrífuga de su giro, pasando por motores de aceleración continua, magnetismo, masa concentrada...


Imagenn artística del interior de un Toro de Stanford

El método aparentemente más viable por el momento es el de la estación espacial giratoria. La fuerza centrífuga es mayor cuanto más lejos esté el centro de rotación y/o cuanto mayor sea la velocidad de giro. Así que, si el radio de la estación es pequeño, debe girar más rápido que si es grande para obtener la misma fuerza de gravedad aparente. El problema, si el radio de giro es pequeño, es que un humano un poco alto notaría diferencia entre la gravedad que sintiera en sus pies y la que sintiera en su cabeza, por lo que seguramente encontraría bastante difícil lo de moverse. Por otro lado, una velocidad de rotación alta tiene otros efectos (principalmente la fuerza de Coriolis), que tienden a revolver un poco el delicado sistema digestivo de los humanos. Ha habido algunos estudios serios sobre este método (el «Toro de Standford» propuesto por la NASA, por ejemplo… y hay hasta un pequeño juguete hecho en Java para experimentar).


Imagenn artística del exterior de un Toro de Stanford

Pero los humanos aún no han conseguido llevar a la práctica ninguna de estas ideas, al menos de forma aprovechable. Sin embargo, irónicamente, sí que han ideado y puesto en práctica un método para deshacerse de la gravedad estando en la Tierra. Ya se sabe: adaptarse o morir. Si no pueden producir gravedad, al menos tienen que saber cómo prepararse para sobrevivir sin ella. Y para ello resulta imprescindible la ayuda de cierto avión al que los chicos de la NASA han apodado cariñosamente el «Cometa del Vómito» (en realidad, han sido varios aviones a lo largo de los años, y no todos de la NASA, aunque es verdad que el suyo fue el primero). No puedo imaginarme el porqué del nombre.


A300 Zero-G de la ESA

El principio de funcionamiento es bastante simple, y muy parecido al de la estación espacial giratoria. Es decir, se aprovechan las fuerzas de inercia, en este caso generadas por una trayectoria en forma de parábola. Los chorlitos con algunas nociones de física sabrán en qué consiste el problema del «tiro parabólico»: cualquier objeto que lancemos y que se mueva después libremente, o, lo que es lo mismo, únicamente sometido a la fuerza de gravedad, lo hará siguiendo una trayectoria perfectamente parabólica (para los chorlitos un poco tiquismiquis: en realidad la trayectoria es elíptica si consideramos que la aceleración de la gravedad, g, varía con la altura; pero, a grosso modo, si la variación de altura es pequeña, se puede considerar que g es constante y que la elipse se aproxima a una parábola).


Tiro parabólico

Pues bien, si suponemos que un chorlito viaja en el interior del objeto que hemos lanzado, dicho chorlito experimentará, por un lado, la gravedad que tira de él hacia abajo, y por otro, la fuerza de inercia derivada del movimiento del objeto; o lo que es lo mismo: una aceleración igual y contraria a la que lleva dicho objeto. Pero resulta, «casualmente», que un objeto que describe una trayectoria de tiro parabólico se mueve en todo instante bajo el efecto de una única aceleración: la de la gravedad. Así que, desde el punto de vista de nuestro chorlito, la gravedad y la inercia (que es igual a la gravedad, pero de signo contrario) se suman para dar como resultado un hermoso cero mondo y lirondo. O, en otras palabras, tanto el objeto como el chorlito caen libremente, por lo que no hay fuerzas entre uno y otro y hay una sensación aparente de ingravidez (podemos imaginar a un humano dentro de un ascensor en caída libre, con el mismo efecto, aunque mucho más divertido de visualizar).


Trayectoria de un Vomit Comet

En el caso de un avión lleno de humanos u otros elementos no atornillados al suelo de la cabina, esto se traduce en una trayectoria casi como la de una montaña rusa. El avión sube con una inclinación de 45 grados y acelerando hasta que alcanza la altitud y velocidad necesarias para comenzar la parábola, sometiendo a todo lo que haya en su interior a una gravedad aparente de entre 2 y 2,5 g’s. Cuando llega al inicio de la parábola deja de acelerar y comienzan el vuelo libre y la sensación de ingravidez, que dura sólo unos 25 segundos, ya que al final de la parábola el avión ha descendido mucho y es necesario remontar de nuevo. Y el ciclo comienza otra vez. En un vuelo de entrenamiento o investigación pueden hacerse entre 40 y 80 parábolas.



Así se rodaron, por ejemplo, las escenas de ingravidez de la película Apollo 13 (lo de llevarse un equipo de rodaje al espacio todavía sale demasiado caro, incluso para la gente de Hollywood). Y, cómo no, los humanos también han convertido esto en un negocio: la empresa americana Zero G ofrece vuelos en microgravedad por el módico precio de 5200 dólares, que incluyen también una simulación de la gravedad en Marte y en la Luna (a bordo del G-Force One, nada menos).


El físico Stephen Hawking a bordo del G-Force One

Y, para quien tenga recursos económicos limitados, está la ESA. Todos los años se organiza un concurso en el que se seleccionan experimentos para realizar en gravedad cero, diseñados por alumnos de distintas universidades, que son, por supuesto, quienes viajarán en el A300 Zero-G que la ESA utiliza para estas cosas y los pondrán en práctica, beneficiándose por la gorra de unos cuantos minutos de ingravidez. Por si hay algún interesado, las bases están aquí.


Barco pirata

Aunque, teniendo en cuenta que incluso esto último suele estar fuera del alcance de la mayoría (no todos los humanos son tan ocurrentes como los chorlitos), quizá la forma más sencilla (para un humano) de probar la ingravidez sea subir a una de esas atracciones de feria con forma de barco pirata, dentro de la jaula, y saltar agarrado a los barrotes justo cuando la jaula esté en el punto más alto y comience a descender. Que viene a ser la versión cutre del vuelo parabólico.


(Un ascensor en caída libre, como ya hemos comentado, es más eficaz en ese sentido, pero suele convertirse en una experiencia terminal, así que no se lo recomiendo a nadie.)


14 piopíos:

kumo dijo...

Decian que la estación espacila giratoria de 2001, tenia más o menos las medidas adecuadas para simular la gravedad terreste, con un radio de unos 900m aprox, girando cada minuto? (Ya no me acuerdo). Y que eso ha sido lo más cercano de la ciencia-ficción, a la realidad del problema de la gravedad en el espacio.
Ahora bien, hacer girar una masa semejante, de forma continua, manteniendo otros sitemas alineados (paneles solares, comunicaciones...) debe requerir mucha energia, conociemientos claro... y suerte.

Aunque supongo que tambien esta la opcion de Mundo Anillo (Larry Niven) que es a lo que se parece la foto del comienzo :)

Folken dijo...

Para David Dunn lo del ascensor no sería problema. Ya me lo imagino, divirtiéndose por la ciudad cortando cables de ascensores.

Orayo dijo...

¿Ese avion puede ascender con una inclinacion de 45º? Parece imposible.

salu2

El Rober dijo...

Orayo:, los aviones comerciales pueden hacer cosas que aunque parezca mentira, solo parecen reservadas a los aviones militares.
La única razón por la que no lo hacen habitualmente es porque se tiene en cuenta sobre todo la comodidad del pasajero, que es a lo que están destinados.
Mira este par de vídeos que os pongo y veréis de los que son capaces los aviones comerciales (como verás en el segundo vídeo, el B757 trepa casi en vertical) :

http://es.youtube.com/watch?v=pDz6sEdrcfM

y


http://es.youtube.com/watch?v=5-Din9QzPHU




Lyd, como siempre, maravillosa.
Es un placer leerte.

Anónimo dijo...

Me encantan las entradas de tu blog. Es magnífico como tratas temas sobre aeronáutica que la verdad es todo un mundo.

Tan sólo 2 pequeñas puntualizaciones:

i) Te lías mucho con las fuerzas de inercia. Trátalo como un observador externo y se simplifica mucho el problema: sólo tienes que pensar si lo ves desde fuera que los "elementos no atornillados" del avión caen de igual forma que los "elementos atornillados", por tanto el movimiento relativo de uno con respecto al otro es lo que da la sensación de ingravidez.

Es decir, si estoy dentro de un ascensor y alguien corta los cables, tanto el ascensor como yo caeremos con la misma aceleración, por tanto yo siento flotar en el ascensor.

De hecho, en la estación espacial o en las naves que orbitan no están en ingravidez (puesto es están dando vueltas alrededor de la Tierra y por tanto están sitiendo la gravedad). El tema es que tanto la nave como ellos caen (dando vueltas, pero caen).

ii) La fuerza de coriolis no se siente en absoluto para los humanos en sus organismos. En una nave espacial, si se rotase sí que sería apreciable esa fuerza pero sólo si nos moviésemos de forma radial (pero vamos, los marineros sienten un vaivén muchísimo más grande que el que sentiría un astronauta por coriolis al moverse por la nave).

Lyd dijo...

kumo: Efectivamente, no es un problema fácil de resolver. Ya sea con cohetes en el perímetro del anillo o haciendo girar dos partes de la estación en sentidos contrarios de forma que se conserve el momento angular total, supone consumir bastante energía. Sin embargo, una ventaja (o desventaja, según se mire) que tienen las cosas que giran en el espacio es la llamada estabilización por espín, o efecto giroscópico. Es una ventaja si quieres que la orientación se mantenga constante, y una desventaja si lo que quieres es cambiarla. Este curioso experimento a bordo de la ISS lo demuestra muy bien.
La foto del comienzo, pintada por Donald Davis, es una imagen artística del Toro de Stanford, propuesto por la NASA y la Universidad de Stanford en 1975.
Al parecer lo que se baraja últimamente es gravedad artificial por rotación, pero a menor escala.

folken: ¿Quién es David Dunn?

orayo, el rober: Suscribo lo que dice el rober. Los aviones comerciales no hacen más de lo que hacen porque por normativa el factor de carga (las aceleraciones de inercia) permitido en un avión comercial no puede superar 2,5 g's, mientras que el límite para un militar está en 6 ó 7 (ojo, hablo de memoria, así que puedo equivocarme en las cifras).
Impresionantes vídeos, rober! ;)
(Y gracias por los piropos! pero no me lo digas muchas veces, a ver si se me va a subir a la cabeza y luego no podéis aguantarme xD)

Anónimo: Me alegro de que te gusten mis entradas, muchas gracias! :D

Y gracias por las puntualizaciones. Cuando se habla de fuerzas en sistemas de referencia móviles, siempre se puede optar por el punto de vista del observador que está quieto o del que se mueve. Intenté explicarlo desde el punto de vista de alguien que está dentro del avión, pero me di cuenta de que la cosa no quedó demasiado clara, así que por eso añadí la última frase sobre el ascensor, que viene a ser un poco lo que tú has dicho, visto desde un sistema de referencia inmóvil.
Las naves espaciales que orbitan la Tierra están en la misma situación que el Cometa del Vómito o que el Toro de Stanford. La fuerza de la gravedad se equilibra con la de inercia debida a la trayectoria (para un observador en la nave) -por eso la microgravedad-; o la fuerza de gravedad mantiene dicha trayectoria, desde un punto de vista externo, y tanto la nave como el astronauta la siguen al mismo tiempo... como prefieras verlo.

En cuanto a la fuerza de Coriolis, puede que tampoco lo dejara muy claro. Afectaría a alguien dentro de un Toro de Stanford que se moviera en un ascensor, por ejemplo (en dirección radial, como tú dices, o en cualquier dirección que tuviera una componente radial), y por lo que he leído podría causar mareos porque afecta al oído interno, y es importante si la velocidad angular de la estación es muy grande (una de las razones por las que es mejor un radio de giro grande y una velocidad angular pequeña).

monsieur le six dijo...

La estación giratoria será sin duda el futuro de la astronáutica, no ya para una base, sino para las naves que realizan viajes, puesto que ahora mismo una de las principales limitaciones es que al organismo le cuesta soportar largos periodos de ingravidez. La lástima es que, como bien se explica, es conveniente una "rueda" con un radio muy grande. Ahora mismo la ISS entera no supondría ni siquiera uno de los radios de esa estación "a lo 2001".

Vamos, que esto ya casi seguro que no lo veremos nosotros.

Excelente el blog, como siempre

Davidmh dijo...

Creo que te has equivocado (¡Lyd se ha equivocado! ¡Lyd se ha equivocado!): dices que

«La fuerza centrífuga es mayor cuanto más lejos esté el centro de rotación»

La aceleración centrípeta -o centrífuga- tiene de módulo

a_c=v^2/r

De lo cual se deduce que, cuanto mayor sea el radio, menor será esa aceleración y bicerveza. Si el radio se hace infinito (recta), la aceleración se muere.


Además, no se debe decir «a grosso modo», sino sólo «grosso modo». (Tenía que decirlo).

Lyd dijo...

monsieur le six: De acuerdo estoy... aunque para las naves que hacen viajes largos, también se puede conseguir cierta gravedad aparente con una aceleración constante. Hay motores en desarrollo de muy alto impulso específico que podrían ofrecer una solución por esta vía.

Davidmh: Siento tener que contradecirte y hacer que te lleves una desilusión, pero mi afirmación es completamente exacta. No debes pasar por alto que la velocidad v que estás considerando es una velocidad lineal, que depende de la velocidad angular y del radio si estamos hablando de una trayectoria circular. Escrito de otra manera:

a_c = v^2/r = (wr)^2/r = rw^2

A velocidad angular constante, la aceleración es directamente proporcional al radio ;)

Lo de grosso modo te lo admito, pero no te acostumbres! :P

Davidmh dijo...

:oops:

Ya me extrañaba a mí que te equivocaras.

De todas formas, en mi defensa diré que en realidad depende del punto de vista que se tome (conservando una u otra velocidad).

Además, por el momento angular, es más fácil augmentar el radio manteniendo la velocidad lineal que hacerlo conservando la angular.


P.D.: más desilusión sería pillarte en un error.

Lyd dijo...

Jeje, no pasa nada, hombre. Es fácil perder de vista el problema real cuando uno se mete en las ecuaciones (en las clases de mi escuela es complicadísimo mantenerlo a la vista, de hecho, como alguien no te lo recuerde no te enteras de que te están hablando de aviones). En este caso, recuerda que estamos hablando de una estación espacial que gira a una velocidad angular determinada, y de cómo varía la gravedad aparente que siente una persona en función de lo lejos que esté del centro de rotación. Para mantener constante la velocidad lineal de una persona variando el radio, la velocidad de giro debería cambiar a la vez que este último, aumentando cuando el radio disminuyera y viceversa... Complicado de narices, a mi parecer. Y como tengas dos personas moviéndose en sentidos contrarios, la liaste ;)

Eso sí, tú sigue siempre ojo avizor, que yo me equivoco como todo hijo de vecino y agradezco que me corrijan cuando estoy en un error :)

Anónimo dijo...

Haz algún post hablando del vuelo libre, que es como se vuela de verdad, como lo hace Juan de la Cuerva (pregúntale, pregúntale), porfaaaaa...

Folken dijo...

David Dunn es el protagonista de El Protegido, el que no recibía daños a no ser que se ahogase.

Luisa Guadalupe dijo...

Hola nena,
por fin me he puesto a leer tu blog, y me gusta!
Aunque ahora no vayamos a coincidir en la cocina de Azena, yo sigo presente, ok?
un besin



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