Juegos gravitatorios

Todo el mundo ha visto a la tripulación de la Estación Espacial Internacional, de los trasbordadores espaciales o de las naves Soyuz flotando en el espacio en estado de ingravidez, evolucionando dentro o fuera de los vehículos sin estar sometidos, en apariencia al menos, a la tiranía de la fuerza gravitatoria que en la Tierra nos aplasta contra el suelo y los asientos. ¿Por qué allí arriba vuelan con libertad absoluta mientras que aquí tenemos que arrastrarnos y esforzarnos para lograr cualquier movimiento? ¿Es que en aquellas alturas están libres de la atracción gravitatoria? ¿Es verdad eso que se suele decir a veces de que "en el espacio no hay gravedad"?

CAOS Y CIENCIA
Las naves espaciales tripuladas están mucho más cerca de lo que se cree, raras veces se aventuran a distancias superiores a los 400 kilómetros sobre el nivel del mar. Increíble pero cierto: hay más distancia de Madrid a Barcelona que de Madrid al cielo, si por cielo se entiende ese lugar en el que se mueve la Estación Espacial Internacional...

Entonces, ¿tan débil es la fuerza gravitatoria que basta con alejarse 400 km de nuestro planeta para quedar libres de su influjo y flotar a nuestro antojo como hacen los astronautas? Pues claro que no, nada de esto. Veamos: ahí arriba está también la Luna que, como todo el mundo sabe, gira alrededor de la Tierra porque la Tierra la atrae, la atracción gravitatoria terrestre mantiene la Luna vinculada a nuestro planeta y la obliga a trazar órbitas cerradas a nuestro alrededor. Por lo tanto, parece claro que el influjo gravitatorio de la Tierra, sea débil o intenso, tiene que alcanzar al menos aquellas alturas por donde transita nuestro satélite natural. ¡Y está cien veces más lejos que las naves espaciales tripuladas! No cabe duda de que los astronautas evolucionan en regiones donde sí que impera, y mucho, la gravitación terrestre. Pero entonces, ¿cómo es posible que la tripulación de las naves no la note, que vayan flotando dentro y fuera de sus vehículos como si tal cosa, que se desplacen en ese vuelo gozoso que solemos denominar, justamente, estado de ingravidez?

Para resolver bien esta paradoja hay que aprender un poquitín de física. Pero por suerte es física de la fácil: nada de cuántica, relatividad o agujeros negros. Sólo hacen falta algunos rudimentos de la física más clásica de todas. El concepto que vamos a manejar lleva un nombre intimidatorio, la segunda ley de Newton, pero no hay que asustarse porque pronto se verá que consiste en una idea curiosa pero bastante simple.

Lo que dice en esencia la segunda ley de Newton es lo siguiente: siempre que sobre un cuerpo actúe una fuerza neta, ese cuerpo está obligado a cambiar de velocidad. También se cumple la relación en el sentido contrario, o sea, siempre que se aprecie que un objeto cambia de velocidad se puede tener la certeza de que hay una fuerza neta actuando sobre él. Por cambio de velocidad se hace referencia a cualquier alteración en la rapidez del movimiento (acelerar o frenar) o en su dirección (girar, desviarse a un lado u otro). Y por fuerza neta se entiende que si sobre un objeto actúan varias fuerzas a la vez, lo que cuenta en definitiva es la suma de todas ellas, y si esta suma resulta nula, pues la fuerza global, la fuerza neta, es cero.

Este principio es de validez universal, se puede aplicar en cualquier contexto, bajo cualquier circunstancia. Si se ve que un objeto se mueve sin cambiar ni de rapidez ni de dirección... ¡entonces se puede afirmar sin ningún temor a equivocarse que no hay fuerzas netas actuando sobre él! La segunda ley de Newton significa, entre otras cosas, que el movimiento sale gratis, que la velocidad no cuesta nada, no hacen falta fuerzas para que las cosas se sigan moviendo: lo que cuesta, lo que sí requiere fuerzas en acción es cambiar el movimiento, alterar la rapidez o la dirección de un desplazamiento.

Deje de leer por un momento y obsérvese. Probablemente esté leyendo este artículo reposando en una silla y frente a una mesa. Tomemos el suelo como referencia. ¿Cuál es su estado de movimiento, cuál es su velocidad, respecto del planeta? Efectivamente: usted no se mueve en relación a la Tierra, o sea, su velocidad referida al suelo es cero. Pero no solo eso, sino que además sucede que ese estado de velocidad nula no está cambiando. Se puede aplicar sin miedo la segunda ley de Newton: si su estado de movimiento no varía, entonces es que sobre usted no está actuando ninguna fuerza neta. "¿Cómo puede ser?" ?se preguntará?, "¡si noto perfectamente cómo la fuerza de la gravedad me está apretujando contra el asiento!".

Imagine un patinador sobre ruedas de pie en el centro de una pista. No se mueve. Ahora coloquemos a una persona a cada lado del patinador y hagamos que se pongan a empujarlo con fuerzas idénticas pero desde lados exactamente opuestos. Las dos fuerzas que ejercen las personas se cancelan mutuamente, dan como resultado una fuerza neta nula. En consecuencia (segunda ley de Newton), la velocidad del patinador no se altera: se queda quieto donde y como estaba. Sin embargo, el pobre patinador sí percibe que algo raro está pasando porque se sienteapretujado: hay una presión sobre él que viene a la vez desde la derecha y desde la izquierda. No se puede ignorar ese hecho, pero el propio patinador ve también que su estado de movimiento no cambia y, por lo tanto, puede concluir a partir de la observación que la fuerza neta que actúa sobre él es nula.

Lo mismo le pasa a usted en este momento. Claro que la gravedad terrestre tira de usted hacia abajo, pero hay otra fuerza que empuja hacia arriba con la misma intensidad y que cancela exactamente la atracción gravitatoria terrestre: se trata de la presión ejercida por el suelo, por el asiento, por las estructuras sólidas que, sean las que sean, actúan hacia arriba con la intensidad necesaria para contrarrestar la gravedad y hacer que la fuerza resultante sea cero. Por esto su estado de movimiento no está cambiando.

Como en el caso del patinador, nada más lejos de nuestra intención que hacerle creer que no está pasando nada. Usted nota que hay una fuerza actuando hacia abajo y otra hacia arriba y, aunque ambas se cancelan mutuamente, lo hacen sometiendo su organismo a unas tensiones considerables. Pues bien, esa sensación de opresión se llama gravidez. La «pesadez» no se debe a la acción de la gravedad terrestre, sino a la acción combinada de la gravedad terrestre y de la fuerza vertical hacia arriba ejercida por el suelo.

Para comprobar qué pasaría si se suprimiera la fuerza ejercida por el suelo habría que quitarlo y el experimento seguramente acabaría mal. Pero cabe la posibilidad de efectuar la misma experiencia no con su propio cuerpo sino con un objeto inanimado, quizá una moneda o una piedra. Tome una piedrecita y libérela de cualquier apoyo que pudiera ejercer sobre ella una fuerza vertical que compensara la gravedad. ¿Cómo? Muy fácil: deje caer la piedra por una ventana, desde lo alto de un puente o desde una torre. Verá que la segunda ley de Newton es inexorable: en cuanto se libera a la piedra de su sostén, la fuerza de la gravedad no queda contrarrestada por nada, actúa libre hacia abajo y en el acto el estado de movimiento del objeto empieza a alterarse. La piedra se pone a caer con una velocidad que no deja de cambiar en ningún momento, siempre acelerando: este cambio de la velocidad, en este caso un incremento de la rapidez de la caída, delata que hay una fuerza neta no nula actuando sobre el objeto, la gravedad.

¿Qué siente la piedra mientras cae? No cuesta mucho imaginarlo porque hay atracciones de feria que consisten en dejar que el público se precipite en caída libre, es decir, sin que haya ninguna fuerza o sostén que compense la gravedad. Lo que pasa es que se aloja al personal en plataformas que frenan la caída antes de llegar al suelo. Cualquiera que haya probado alguna de estas atracciones sabe que cuando el cuerpo se precipita en caída libre, o sea, sometido única y exclusivamente a la fuerza de la gravedad, lo que se experimenta es... la ingravidez.

Esta atracción de feria se lleva al extremo de la sofisticación en los aviones de entrenamiento para astronautas en los que se efectúan los llamados vuelos parabólicos. La aventura consiste en subir muy alto con el avión y luego... quitar el soporte que proporciona la sustentación aerodinámica y dejar descender la nave en una caída libre perfecta, de modo que tanto el aeroplano como todo lo que contiene descienden con aceleraciones idénticas. Las paredes del avión ya no ejercen sobre los cuerpos de la tripulación la fuerza de sostén que se opone a la gravedad en condiciones normales. Todo en el avión pasa a comportarse bajo el influjo exclusivo de la fuerza de la gravedad. Y, como resultado, en el interior de la nave aérea se experimenta la ingravidez durante el lapso de tiempo que dura la caída.

Aunque estos vuelos se denominen parabólicos, en realidad el avión no describe una trayectoria de forma parabólica, sino un arco de elipse. De hecho lo que se hace es gobernar la nave de manera que siga la trayectoria que recorrería en caso de estar sometida tan solo a la fuerza de atracción gravitatoria de la Tierra, es decir, el avión se coloca en órbita alrededor del planeta por unos segundos o minutos. La segunda ley de Newton indica que hay alguna fuerza neta actuando sobre el avión porque éste cambia constantemente tanto de rapidez como de dirección en el curso de la caída. Pero la velocidad de un avión es tan escasa que la órbita que sigue acabaría tocando el suelo, y más vale rectificar el rumbo y aterrizar antes de que ocurra una catástrofe.

Pero cuando se lanza un objeto con la rapidez suficiente y en la dirección adecuada, entonces se coloca en una trayectoria de caída libre (sometida exclusivamente a la gravedad terrestre como única fuerza neta) que ya no corta la superficie terrestre. Esto es lo que se hace con las naves espaciales.

La Estación Espacial Internacional, el resto de satélites artificiales e incluso la propia Luna están en caída libre sobre la Tierra, abandonados al influjo de la gravitación terrestre como única fuerza neta. Por esto sus estados de velocidad se hallan en alteración permanente: como mínimo cambia de un modo contínuo la dirección del movimiento, que no sigue una trayectoria rectilínea sino curvada, indicio seguro (segunda ley de Newton) de que hay alguna fuerza neta actuando sobre estos objetos.

La nave se encuentra en caída libre hacia la Tierra, lo mismo que ocurre en la atracción ferial durante unos segundos o en el avión en vuelo parabólico durante unos minutos. Y todo lo que hay dentro de la nave comparte con ella la acción de la misma fuerza, porque la Tierra atrae no solo la nave, sino también y del mismo modo los equipos y personas que hay dentro. Por lo tanto, todo lo que hay en el vehículo sigue la misma trayectoria. Las paredes no presionan a los tripulantes y por eso no perciben esa opresión o compresión que llamamos gravidez en la Tierra; ahora no hay dos fuerzas opuestas actuando sobre el cuerpo. El astronauta se siente libre y flota dentro de la nave, experimenta la ingravidez. Pero hete aquí que hemos descubierto que la ingravidez consiste, justamente, en someterse por completo a la fuerza de la gravedad sin oponerle ningún tipo de resistencia o fuerza compensatoria. La ingravidez significa dejar que la gravedad actúe sin limitaciones.

Usted, que reposa con tanta calma en ese asiento, percibe esa sensación de gravidez o pesadez porque la gravedad que actúa sobre usted está contrarrestada por otra fuerza. Para experimentar la gravedad en estado puro habría que saltar por la ventana, lo que no es nada recomendable, u optar por las alternativas, mucho más seguras, que ofrecen los parques de atracciones, los vuelos parabólicos o los billetes de turismo espacial.