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.

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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.