Gravedad!

Sr. Isaac Newton

Dice la historia que Sr. Sr. Isaac Newton, cuando fue golpeado por una manzana que cayó de su árbol tuvo una epifanía que dio nacimiento a su teoría de la gravedad y las leyes de movimiento. Bien, no hay realmente evidencia sólida sobre esta historia, mas era bien sabido que Sr. Newton estaba obsesionado con el movimiento de la Luna alrededor de la tierra, y el efecto de la manzana cayendo fue parte de la inspiración que lo condujo al descubrimiento de su modelo matemático que describe como la influencia de la gravedad sobre un objeto disminuye en una proporción cuadrática inversa a la distancia de ese objeto. Esto significa que dos cuerpos físicos se atraerán mutuamente con una fuerza que se hace más fuerte mientras más cercanos se encuentren entre ellos.

Aprendí sobre Sr. Isaac Newton en mis años de escuela; más creo que en estas clases realmente no se aprecia la dimensión de sus trabajos y en general que representan estas leyes, y con el tiempo este tema es prácticamente olvidado. Esta es una oportunidad perdida para aprender en una forma más cercana y tangible sobre la jornada que culminó en una de los más grandes (si no el más grande), trabajo en física. La Principia Mathematica de Newton.

Fue en este trabajo donde Sr. Newton introdujo las ahora reconocidas leyes del movimiento (Primera ley – Ley de inercia, Segunda ley – Ley de movimiento y la tercera ley – Ley de acción reciproca), y la más interesante ley de gravitación. La comentada obsesión de Sr. Newton por Luna estaba basada en una pregunta; ¿es posible que, como la descrita manzana, la Luna estuviera también cayendo? Para deducir esto, el creó modelos que requerían de nuevas matemáticas, y para poder hacer su análisis tuvo la necesidad de inventar un nuevo truco matemático denominado cálculo! Con este, el hizo el análisis que confirmó su teoría sobre estas leyes, solo otro día más en la oficina.

Cuando fui introducido a estas leyes estas me fueron explicadas en una forma teórica, y ciertamente fue divertido, pero sin mucha asociación sobre cómo actúan en nosotros y en objetos que vemos sin siquiera notarlo; el entendimiento de como todos los cuerpos interactúan, y como todos ellos se atraen mutuamente (como la tierra nos atrae dándonos peso), y como cuerpos en órbita como la Luna están de hecho en caída libre alrededor de un más grande y masivo objeto como lo es la Tierra; esto fue una revelación. Para tener esto más claro, debemos describir como la caída libre, y la velocidad orbital y de escape funcionan, que por cierto son los principios usados en todas las operaciones espaciales.

Un ejemplo hipotético.

Orbital and escape velocity
( http://nasaphysics.cet.edu)

Para ilustrar esto, Podemos usar la analogía de un cañón hipotético localizado en un punto alto en la Tierra, y disparando al horizonte. Con estas condiciones y la fuerza del cañón veríamos la bala del cañón caer en una trayectoria parabólica (describiendo un arco mientras asciende y desciende), y cayendo a cierta distancia. Ahora, ¿que sucederá si incrementamos la fuerza del cañón? Notaremos como la bala de cañón viajará más y más lejos sobre la tierra mientras la fuerza del cañón se incrementa. Así que, si seguimos incrementando la fuerza del cañón habrá un punto en la que la bala de cañón no caerá en la tierra, sino que seguirá girando alrededor de ella, y donde la caída se iguala con la curvatura de la tierra. Esta es llamada velocidad orbital. Y es este el propósito de los cohetes usados para poner objetos en el espacio. Esto funciona con satélites artificiales y otros objetos, como la Estación Espacial Internacional (EEI); todos estos cuerpos están en esencia en caída libre, yendo lateralmente alrededor de la tierra; en consecuencia, requiriendo moverse a la extraordinaria velocidad de 27500 Km/h (17,100 millas/h), o alrededor de 8 Km por segundo (5 millas/seg). Dada esta condición la EEI experimenta 16 amaneceres y atardeceres cada día, o aproximadamente uno cada 90 minutos, mientras viaja alrededor de nuestro planeta.

La misma situación ocurre con la Luna orbitando alrededor de la Tierra, y la Tierra y el resto de los planetas orbitando alrededor del Sol; todos ellos están sujetos a la misma interacción y condición de “caída libre” alrededor del Sol, moviéndose extremadamente rápido y, en una forma muy simplista, evitando “caer” a la superficie del sol. Para la Tierra, esta velocidad es 29 Km/seg. (18 miles/seg.). Y, siguiendo esta ley, podrás deducir que mientras más alejado estas del Sol, relativamente más lentamente puedes moverte. En el caso de Júpiter, este requiere moverse a una velocidad orbital de 13 Km/seg. (8.1 miles/seg.), alrededor del Sol, siendo esta parte de la causa por la que Júpiter completa una órbita alrededor del Sol en 12 años terrestres (considerando que también, debe cubrir una ruta más larga).

Pero retornando a nuestro hipotético cañón, ¿qué sucede si seguimos incrementando su poder? Bien, después de la velocidad orbital, el siguiente paso es poder escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra por completo, esta es denominada velocidad de escape, y es requerida para poder superar de forma absoluta la influencia gravitacional de la Tierra sin requerir impulso adicional. Esta es la velocidad que los cohetes tuvieron que alcanzar en las misiones Apolo durante los años sesenta y setenta para ir a la Luna, con una velocidad de 40,000Km/h (25,000millas/h). En este punto, la energía de movimiento de la nave (o Energía Cinética), iguala el potencial gravitacional de la Tierra.

Como la velocidad de escape depende de la masa del planeta, para las misiones Apolo que Alunizaron, la nave para dejar la Luna necesitó menos energía, dado que la fuerza de gravedad de la luna es mucho menor, y es también por esto que los Astronautas se movían de forma graciosa, más con saltos que caminando, dada su ligereza, aun con todo el equipo que tenían. Pero de forma opuesta, la velocidad de escape de Júpiter es más de cinco veces mayor que la de la Tierra, dado que es mucho más masivo.

Y, entonces?

Considerando esta información, pongamos el caso de Marte, una buena razón para visitarlo, aparte de la aventura, es para perder peso “rápidamente”. Siendo marte menos masivo, una persona con un peso de a 90Kg (200 lb), se quitará más de la mitad de este de forma instantánea, a unos ligeros 34Kg (75 lb). Y es también por la más baja gravedad de Marte por lo que hay paisajes más dramáticos como el Olympus Mons, una montaña dos y media veces más alta que el Monte Everest en la Tierra, y el segundo pico más grande en el sistema solar (el número uno es el Rheasilvia Central peak en el asteroide Vesta por cierto).

Así que, si no estás feliz con tu peso, puedes argumentar la responsabilidad a la gravedad de la Tierra, y en una forma técnica, ¡estarás en lo correcto!

Saludos, Alex – Science Kindle.