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jueves, abril 16, 2009

Pseudogravedad por aceleración

En el último envío comenté las consecuencias (desagradables) que podría tener el iniciar o detener el giro de una nave o estación espacial, para generar pseudogravedad mediante rotación. En dicho artículo, no mencioné de forma explícita que partimos de un supuesto: la nave o estación no se está propulsando. O bien estamos en ausencia de fuerzas externas, o bien en caída libre, lo que quiere decir que estamos en un sistema de referencia inercial (mientras no rote). ¿Seguro? ¿Acaso no es la gravedad una fuerza externa? Pues sí, pero la gravedad es una fuerza muy peculiar, ya que al ser directamente proporcional a la masa, resulta que la aceleración producida es igual para todos los cuerpos. Por eso, en el interior de una nave o estación espacial en caída libre, las cosas parecen ingrávidas.

¿Qué ocurriría si en esas circustancias encendiéramos los propulsores de la nave? Pues siguendo el mismo razonamiento que en el envío anterior, la nave aceleraría, pero nosotros tenderíamos a mantener el movimiento original, hasta que alguna parte de la nave nos empuje. Al igual que cuando viajamos en coche y aceleramos, sentiríamos como si una fuerza nos empujara en la dirección contraria.

Esto que hemos contado de forma sencilla, es una forma de entender el Principio de Equivalencia, que en su formulación de Einstein, es un pilar de la Relatividad General (nada menos). Dicho principio nos dice básicamente que en un entorno suficientemente local, ingravidez y caída libre son indistinguibles, o dicho de otra forma, no podemos distinguir entre gravedad y aceleración constante. Es decir, si estamos encerrados en un recinto sin posibilidad de observar el exterior, y sentimos nuestro peso, no podemos saber si estamos en la Tierra, o a bordo de una nave espacial que mantenga una aceleración constante de 1 g. He de hacer hincapié en lo del «entorno suficientemente local», ya que si disponemos de mucho espacio para movernos, podemos llegar a detectar (o no) un gradiente en la fuerza que sentimos (esto es, que sea levemente diferente en un sitio y en otro), lo que nos permititía distinguir entre una situación y otra (si detectamos un gradiente, con toda seguridad estamos en la superficie de un planeta).

Fijaos que entonces tenemos una segunda forma de generar pseudogravedad: mediante una aceleración constante de la nave (y por tanto, la primera afirmación del artículo «Pseudogravedad mediante rotación», es errónea). Obviamente, con este sistema estaremos consumiendo una enorme cantidad de combustible, y además sólo nos serviría para viajar (en una estación en órbita, no podríamos aplicarlo, o ya no estaríamos en órbita). Sin embargo es un recurso que ha sido utilizado por la ciencia ficción. Un ejemplo de ello es la novela «La paja en el ojo de Dios», de Larry Niven, donde los viajes se hacen con tramos de aceleración constante. En este caso, la aceleración no es por la comodidad de los pasajeros, sino para reducir los tiempos de viaje, llegando incluso a alcanzar varias g durante horas, de forma que la tripulación y pasajeros debe tumbarse sobre unos «colchones» especialmente habilitados para ello.

Pero un ejemplo que me parece especialmente destacable es el de un album de las aventuras de Tintín: «Aterrizaje en la luna». En él, los protagonistas viajan a nuestro satélite en un cohete que mantiene el propulsor encendido, proporcionando una aceleración constante de una g, y produciendo pseudogravedad en su interior (como bien explica el profesor Tornasol en el cómic). A lo largo del viaje, el motor es apagado en varias ocasiones, y cuando eso sucede, en el interior del cohete se experimenta ingravidez. Además, como cabría esperar si nos ceñimos a las leyes de Newton, el mismo tienpo que pasan acelerando, deben pasarlo después desacelerando. Así, a mitad de camino, el cohete rota 180º, y el propulsor apunta hacia la Luna, disminuyendo la velocidad al mismo ritmo al que había aumentado antes.

No es la única buena ciencia que hay en el álbum. Es destacable una escena en la que el Capitán Haddock está disfrutando de su inseparable whisky, y el motor se detiene, produciendo ingravidez. El líquido flota fuera del vaso en forma de esfera, que es precisamente la forma que adopta cualquier líquido si no se ejercen fuerzas sobre él.

Hay que decir que el cómic también tiene sus dosis de mala ciencia, como el hecho de que el cohete se desvíe de su trayectoria por tener un alerón doblado, o el que para hacer rotar el cohete, se mantenga encendido un propulsor lateral durante toda la maniobra. Pero no está nada mal. Hay que reconocerle a Hergé un gran mérito de documentación, teniendo en cuenta que el álbum se publicó en 1954, 15 años antes de que Neil Armstrong pisara la Luna.

8 comentarios:

  1. Tengo ese álbum en la estantería que hay tras de mí en esos momentos :D

    Y sí, estoy de acuerdo en lo que dices. Muy buena entrada de nuevo, Alf ;)

    Saludos!

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  2. Hombre, eso de que la primera afirmación de tu artículo anterior es errónea es un poco aventurado. Podríamos generarla así, pero por un tiempo limitado. Según aceleramos aumentamos nuestra velocidad, y cuanto más rápido nos desplazamos, más energía necesitamos para mantener la aceleración. A cada segundo que pasa es necesario aumentar la energía de los motores para poder mantener la aceleración "constante" de 1G, y llegará el momento en el que la cantidad de energía necesaria supere nuestra capacidad para obtenerla, aparte de que antes o después tendremos que frenar...

    O tal vez no entendí a mi profesor de física...

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  3. Pero eso sólo cuenta a velocidades relativistas. Cuando son más bajas sí es posible, ya que el motor no imprime una velocidad al cohete, sino una aceleración. Lo que hace el motor es modificar la velocidad, que permanecería constante con éste apagado (si no contamos con la gravedad de un cuerpo muy masivo cerca, como por ejemplo estando en órbita a la Tierra). Y ten en cuenta que con "velocidad" me refiero tanto a su valor numérico como a su dirección.

    Saludos!

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  4. No se si es una pregunta muy tonta, pero yo la repito porque intuitivamente imagino algunos dientes partidos y huesos quebrados si de repente la nave cambia su curso un grado para esquivar algo sin tiempo a avisar a la gente para que se ponga el cinturon: ¿Qué sucedería en los cambios de trayectoria del curso de la nave, tanto en los sistemas de gravedad por rotación como, sobretodo, en los de gravedad por aceleración a 1g (ambos muy usados en ciencia-ficción)?

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  5. A ver si lo digo bien:

    Cualquiera que sea nuestra velocidad, estamos, en nuestro sistema de referencia, tan lejos de alcanzar la velocidad de la luz como en cualquier otro sistema de referencia. Esto quiere decir que acelerarnos a 1 g es igual de costoso en términos de energía no importa cuál sea la velocidad relativa respecto a otro sistema de referencia (por ejemplo los que nos observan desde tierra).

    Lo que pasa es que, para los observadores en tierra, lo que para nosotros es una aceleración de 1 g lo ven como un cambio de la velocidad menor. Para su sistema de referencia sí es cierto que necesitamos más energía para acelerar según su referencia, con el límite de energía infinita al llegar a la velocidad de la luz.

    Para nosotros, necesitamos la misma energía para acelerarnos según nuestra referencia, pero como no nos acercamos ni un ápice a la velocidad de la luz (siempre es 300.000 km/h no importa cuál sea el sistema de referencia) podremos concluir también que hace falta infinita energía para llegar a ella.

    En ambos casos es imposible llegar a la velocidad de la luz.

    Escribí sobre esto aquí:

    http://todoloqueseaverdad.blogspot.com/2009/02/la-tierra-y-su-dominios-la-historia-mas_20.html

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  6. El esquema típico de viaje a aceleración constante es acelerar durante la primera mitad del viaje, parar y rotar la nave hasta ponerla del revés, y volver a encender los motores para lograr una deceleración constante. Excepto en la fase intermedia, la tripulación estaría sometida a una "gravedad artificial" correcta.

    Tengo un librito del difunto Robert L. Forward llamado "Undistinguishable from magic" donde se dedica a teorizar hasta dónde nos podría llevar la "ciencia-ficción super-dura". En el tema de la propulsión, el hombre sugería que si se construyeran aceleradores de partículas específicamente pensados para crear antimateria de forma industrial en vez de para investigación, podría llegar a ser competitiva como fuente de energía para motores de vehículos espaciales (tendría un precio astronómico, pero no muy diferente del de otros sistemas, considerados globalmente, si hablamos de viajes interplanetarios con duraciones razonables, tripulados, y limitando los problemas de la gravedad cero). Es una de las vías hacia los viajes espaciales de aceleración constante.

    Aparte, como siempre, recomendar echar un vistazo a ver qué dicen en la web del cohete atómico: http://www.projectrho.com/rocket/rocket3c2.html

    Un tema tangencial al de la gravedad artificial, pero muy importante, es que, realmente, no se sabe cuánta gravedad hace falta para evitar los problemas biológicos de su ausencia sobre las personas. Por ejemplo, se habla de volver a la Luna o de viajar a Marte, pero no tenemos garantías de que las personas que vivieran en la baja gravedad de nuestro satélite o Marte no sufrirían tanta degeneración muscular y ósea como la que sufren los astronautas que han pasado largos periodos en las estaciones espaciales presentes y pasadas.

    Ya puestos a invertir dinero en estructuras en órbita o en vueltas a la Luna, probablemente lo más importante sería construir algo que permitiera averiguar más sobre este tema.

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  7. (Más sobre lo de la antimateria: http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/anti_prod.pdf )

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  8. Respecto al aleron doblado, evidentemente no puede haber ningun efecto aerodinámico, pero sí producir una ligera variación del centro de gravedad inicial de la nave lo que induciría un par de giro y un pequeño cambio de rumbo progresivo...

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