¿Cómo conseguiría despegar mi nave-cohete?
Gracias a la 3ª Ley de Newton (Acción-Reacción). Igual que cuando inflas un globo si lo sueltas antes de atarlo el aire sale para abajo y ello impulsa el globo hacia arriba. En tu caso los gases de combustión del motor al salir empujan la nave-cohete hacia arriba para vencer la atracción gravitatoria terrestre.
¿Y por qué despega tan despacio?
Eso se debe a que tiene que cumplirse la Conservación de la Cantidad de Movimiento. El producto masa * velocidad de los gases expulsados ha de ser igual al mismo producto del de tu nave-cohete. Y como los gases tienen poca masa y mucha velocidad al salir, y tu nave-cohete mucha masa, pues la única forma de compensar la igualdad anterior es con velocidades de despegue pequeñas.
Progresivamente la velocidad de la nave-cohete va aumentando, o sea, se acelera conforme aumenta la la Fuerza que le imprimen los gases. Fuerza y aceleración son directamente proporcionales con lo que estamos poniendo en práctica la 2ª Ley de Newton.
Progresivamente la velocidad de la nave-cohete va aumentando, o sea, se acelera conforme aumenta la la Fuerza que le imprimen los gases. Fuerza y aceleración son directamente proporcionales con lo que estamos poniendo en práctica la 2ª Ley de Newton.
Otra forma de ver por qué despega tan despacio es que hay que vencer la fuerza de atracción de la gravedad terrestre, cuyo valor se calcula utilizando la Ley de la Gravitación Universal, establecida por el propio Newton en 1687. Dicha fuerza en este caso no es más que lo que conocemos como el Peso de la nave-cohete, que, como puedes imaginar, tiene un valor muy grande que la fuerza imprimida por la propulsión de los gases de escape debe superar para poder acelerarlo.
La fórmula de la fuerza peso es P = m * g, siendo m la masa de la nave-cohete (unos 30 mil kg en el caso del Apolo XI, la primera en llegar a la Luna) y g la aceleración de la gravedad en la Tierra (9.8 m/s2). Pues bien, al principio P es muy grande (294 mil N), pero conforme la nave-cohete va subiendo va perdiendo masa debido a la pérdida de combustible y, a la vez, el valor de g va decreciendo por la altura porque la Tierra atrae menos a los objetos cuanto más se alejan de ella. Es decir, cuanto más sube, menos pesa y más fácil es acelerar la nave-cohete... ¡y por eso vemos que durante el ascenso va aumentando su velocidad!
¿Por qué necesito una nave-cohete?
Al principio la gravedad terrestre es muy intensa y vencerla cuesta mucho, es decir, necesitas el potente impulso de un cohete. Pero dicha atracción disminuye conforme asciendes y deja de ser necesario, razón por la que suele dejársele caer de la nave. Además así, al llevar menos peso, necesitarás usar menos combustible para el viaje (¡aún no hay gasolineras espaciales!).
Cuando la nave alcanza cierta altura y una velocidad suficiente consigue orbitar la Tierra (darle vueltas) pudiendo entonces apagar los motores y girar sin caerse.
¿Cómo es que gira y no se cae aún teniendo los motores apagados?
Es como cuando un lanzador de martillo (bola atada a un cable de acero) hace que este gire rápido a su alrededor antes de soltarlo. Si la velocidad es alta, la Fuerza Centrípeta de la cuerda sobre el martillo es suficiente para hacerlo girar e impedir que el martillo caiga al suelo. En nuestro caso la fuerza centrípeta es la Fuerza Gravitatoria de la Tierra y el martillo giratorio a alta velocidad es nuestra nave. O sea, la nave gira lo suficientemente rápido para que la gravedad terrestre no la tire hacia abajo, justo igual que el martillo de la siguiente figura:
¿Por qué es necesario que la nave orbite
antes la Tierra?
(Darle vueltas)
Porque la Luna también se está moviendo en su propia órbita alrededor de la Tierra, así que es como cuando disparas a un blanco móvil: hay que elegir muy bien el momento de encender los motores otra vez, acelerar y salir de ella para que la trayectoria rectilínea de la nave alcance la Luna. Recordemos también que hay que ahorrar combustible.
Pero sujétate bien al asiento, porque salir de la órbita implica que la aceleración anterior ha de proveer una velocidad mínima para escapar de la atracción terrestre que se llama velocidad de escape que en nuestro caso es de unos 40000 Km/h. Después, puedes apagar los motores y dejar que se desplace cómodamente en línea recta aprovechando la Inercia (1ª Ley de Newton) para dirigirte a la Luna.
Poco a poco la nave se irá frenando debido a que, aunque te alejas, siempre queda algo de atracción terrestre, pero eso te viene bien porque no has de llegar muy rápido a las cercanías de la Luna para que su gravedad, que no es mucha (aprox. 6 veces menor que la terrestre) la atrape y no te pases de largo. Esto durará un par de días pero ¡ya estás orbitando la Luna y has hecho casi todo el viaje por la cara gracias a la inercia y a la gravedad!
Poco a poco la nave se irá frenando debido a que, aunque te alejas, siempre queda algo de atracción terrestre, pero eso te viene bien porque no has de llegar muy rápido a las cercanías de la Luna para que su gravedad, que no es mucha (aprox. 6 veces menor que la terrestre) la atrape y no te pases de largo. Esto durará un par de días pero ¡ya estás orbitando la Luna y has hecho casi todo el viaje por la cara gracias a la inercia y a la gravedad!
Si necesito rectificar un poco la trayectoria, ¿funciona como un avión girando el mando a izquierda o derecha según necesite?
No, porque eso solo es válido cuando hay rozamiento con una atmósfera y lo desequilibras en favor de una de las alas. En el espacio exterior casi no hay materia con la que rozar. Las naves giran porque tienen pequeños motores a los lados y salidas para sus gases. Así vuelves a servirte de la 3ª Ley de Newton o Acción-Reacción: expulsas gases hacia la derecha y se mueve hacia la izquierda. O viceversa. Curioso, ¿verdad?
¿Cómo alunizo?
Haces que la nave pierda un poco de velocidad y la dejas caer sobre la Luna. Entonces debes encender otra vez los motores pero...¡esta vez es para frenar la caída y alunizar así suavemente! No has tenido más remedio porque al no haber atmósfera no puedes usar el rozamiento para perder velocidad.
Te das un voltio lunero pero no hay bares y ya te quieres volver.
¿Y el viaje de vuelta a la Tierra?
Los principios físicos para despegar, entrar en órbita lunar y acelerar para salir de ella con trayectoria hacia el planeta azul son los mismos de antes. Pero varían un par de detalles.
Uno es que al tener la Luna menos masa su gravedad es menor e impulsarse para salir de ella es más fácil, se necesita menos energía (combustible). Eso es una buena noticia.
Otro es que la entrada a la Tierra cuando dejas caer tu nave es más complicada. ¿Por qué? Porque la Tierra sí tiene atmósfera, y la fricción aire-nave va a ser positiva por un lado, pues podrás servirte de ella para frenar sin motores, y negativa por otro, pues la nave entrará a gran velocidad y el rozamiento es tal que alcanzará temperaturas en torno a los 3000 ºC, razón por la que la nave lleva un escudo térmico en el exterior hecho de materiales cerámicos. Es como cuando te frotas las manos con rapidez, la energía cinética de su movimiento se transforma en energía térmica y las calienta.
Finalmente aprovechas aún más el rozamiento y abres varios paracaídas con lo que la nave ameriza suavemente sobre el mar y tus amigos y familiares vienen a buscarte: ¡lo has conseguido!
Como has visto, solo con las Leyes del Movimiento (inercia, aceleración, acción-reacción) y la Ley de Gravitación Universal (gravedad), ambas enunciadas por Newton a finales del siglo XVIII es suficiente para explicar un viaje a la Luna. Ello nos da idea de la potencia de los descubrimientos del que dicen ha sido el mejor científico de todos los tiempos.
Si alguien necesita alguna explicación extra, no tiene más que preguntarme, dejando un comentario por aquí o vía email, como le apetezca.
Dejo enlaces de algunas webs y vídeos interesantes por si alguien quisiera profundizar más.
Profesor Sergio Llanos: El Hombre en La Luna. 50 años. Física Básica del Viaje del Apolo 1. (Algunas fotos son de su documental, muy recomendable)
Siempre didáctico y claro Aldo en su canal El Robot de Platón. Muy recomendable este vídeo: El Viaje a la Luna explicado
https://youtu.be/DqaNOm08A44
Viaje a la Luna Apolo 11: Despegue, órbitas y alunizaje paso a paso
SpaceIL - Beresheet's Journey to the Moon ---- Nuevas formas más eficientes de viajar a la Luna: aprovechas para ir haciendo órbitas cada vez mayores hasta que llegues cerca de la gravedad de la Luna y te metes en su órbita.
https://www.youtube.com/watch?v=_R4zk448oPsExcelente blog de este divulgador científico premidado en varias ocasiones. Recomendable ara profundizar en el tema.
https://danielmarin.naukas.com/2014/01/03/como-viajar-la-luna/
Me ha encantado, lo haces muy fácil de entender.
ResponderEliminarMariola
Gracias por tus palabras, me animan a seguir divulgando ciencia "llanamente".
EliminarMe ha encantado! Muy fácil de entender. Se nota la dedicación y la devoción!!
ResponderEliminarGracias por tus palabras, Atenea 8. Esa es la intención, que las explicaciones sean muy claras para que el esfuerzo del lector en cuanto a comprensión sea mínimo.
EliminarSaludos y gracias a ti por leerlo y disfrutarlo.