Cómo ir al espacio

Siempre hemos sabido que para ir al espacio se necesita una nave espacial, y hasta ahora, todas las naves que el ser humano a creado han necesitado un gran cohete para ir al espacio. No obstante, cuando nos dicen que la estación espacial (ISS) está a apenas 400 km de distancia, es decir, rozando la atmósfera, nos sorprende que se necesite tanta inversión para enviar allí no solo personas, sino simples naves de carga. La explicación es bastante simple, pero requiere de un poco de matemáticas.

Primero de todo, aclaremos qué es el espacio. Nosotros vivimos en la Tierra, un planeta que gira en torno al sol, visto desde el polo norte, en dirección contraria a las agujas del reloj, y a su vez rota hacia el este. Decimos que estos objetos están en el espacio, en el vacío. Donde están el resto de planetas, estrellas, asteroides, cometas, polvo y demás objetos que forman galaxias. Resulta que en el espacio no hay aire. Así que podemos decir que el espacio es aquel lugar, que por naturaleza no tiene aire, es decir, no sirve una cámara de vacío.

Saturno V

Saturno V, el cohete que nos llevó a la Luna

Para llegar ahí, es obvio que tenemos que subir más allá de la atmósfera, pero, ¿dónde acaba la atmósfera? Pues aquí tenemos un problema, porque si recordáis el salto estratosférico del austriaco Felix Baumgartner, que lo hizo desde 39.000 m necesitó un traje presurizado para poder respirar, es decir, no había aire. Pues de hecho, a la altura a la que se tiró, es necesario que lo hubiera, para que el globo flotara, pero obviamente no era suficiente para respirar. En definitiva,¿cuánto aire había? Pues haciendo un cálculo aproximado, en esa altura habría unos 0.01 hPa de presión (al nivel del mar hay unos 1013.25). En pascales, la unidad internacional de medida, serían 10 Pa, así que sí había aire, por lo que no estaba en el espacio.

Habitualmente se suele coger como barrera los 100 km, ya que la cantidad de aire que hay a esa altura es insignificante. Son unas 11 veces más arriba que el monte Everest. unas 10 veces más alto de lo que vuelan los aviones comerciales. Pero entonces, ¿por qué cuesta tanto llegar hasta allí? Pues cuesta tanto porque el problema no es llegar a la frontera con el espacio, eso ya lo hacen algunas empresas. El problema es que para mantenerse ahí indefinidamente y no caer, necesitamos física, física newtoniana.

A el gran Newton se le ocurrió que si tirabas una piedra con poca fuerza, esta caería al de uno o dos metros (A). Si en cambio, la lanzabas con más fuerza, caería al de unos 10 metros (B). Dado que la tierra es esférica, y la piedra hacía una parábola al caer, se le ocurrió que con la fuerza suficiente, se podría hacer que la parábola de la piedra fuera igual a la curvatura de la tierra. Esto significaría que  podríamos tirar la piedra y que diera una vuelta completa al planeta antes de caer. De hecho, si lo hiciéramos desde el punto más alto de la tierra, volvería a ese punto. creando una circunferencia (C).

Cañón de Newton

También predijo que si se lanzaba con suficiente fuerza, la circunferencia no sería tal, sino que conseguiríamos una elipse (D). Y si aumentábamos la fuerza, conseguíamos que la piedra nunca volviera a caer, y se marchara de la tierra (E). Estas eran simples deducciones en aquella época, pero sin ninguna posibilidad de llevarlas a cabo, porque no había ningún cañón que pudiera lanzar una piedra a más de unas pocas decenas de metros de distancia, y para eso se necesitaba que la piedra saliese disparada miles de kilómetros. Además, teníamos una atmósfera que frenaría la piedra.

No obstante, en el siglo pasado, con los avances tecnológicos nos dimos cuenta de que se podía hacer. La idea era, primero despegar un cohete que saliera de la atmósfera, para evitar la fricción, y una vez en el espacio, que cogiera la velocidad necesaria para no caer. Esto es sin duda más fácil decirlo que hacerlo. Primero, nunca antes se había salido de la atmósfera, y segundo, se calculó que la velocidad necesaria para no caer era de más de 7 km por segundo, unos 27 000 km/h. Vale, es muchísima velocidad, así que se necesitaría un cohete más potente. Cuánto más? pues según cuanta masa queremos subir ahí arriba, pero aquí también hay un problema.

La ecuación del cohete de Tsiolkovski, una ecuación, no muy compleja, que nos dice que la cantidad de energía necesaria para subir algo a la órbita, es exponencial a la masa que queremos subir. Es decir, subir 1Kg es complicado, pero subir 10Kg, no es 10 veces más complicado, sino más de 100 veces más complicado. Todo eso, sin tener en cuenta que para que un ser humano pesa unos 75 kg y que necesita oxígeno, agua, comida, y lugares donde hacer sus necesidades para todo el trayecto. Sí, los seres humanos somos un gran problema para viajar al espacio.

Así que se necesitan cohetes gigantes, enormes, de decenas de metros de altura, para enviar una carga de alubias a la estación espacial, que dicho sea de paso, no está en el borde del espacio a 100 km, ya que hay "demasiado aire" y le frenaría, sino que está a unos 400, donde, por cierto, también hay aire, y cada cierto tiempo tienen que subir, ya que si no se caería.

Comentarios (20)

  1. avatar Luckytrast

    Buen artículo pero me sigue sin entrar en la cabeza un concepto, si el pozo gravitacional produce que la fuerza de la gravedad es menor cuanta más subimos, y si los aviones son capaces de mantenerse miles de kilómetros volando no muy altos y el combustible necesario es asumible, ¿ por qué es tan costoso subir más ? Vamos que mi lógica de iletrado me dice que cuanto más alto menos fuerza se necesita. No se sí me explico.

    PD el salto fue a 39 000 km o 39 000 metros ?

  2. Jeje el salto era a 39.000 metros, ya está corregido.

    En cuanto al tema del pozo gravitacional, ciertamente, los aviones tienen un coste de combustible asumible, pero no están en órbita. Se mantienen por su aerodinamismo, haciendo que el aire los mantenga ahí, pero si queremos salir al espacio, donde no hay aire, no podemos usar esa técnica, y debemos entrar en órbita para no caernos, y es por eso que necesitamos esas velocidades de 27.000Km/h, para lo que necesitamos muchísimo combustible.

  3. El problema de los aviones es que sus motores no tienen la potencia suficiente para mantenerlos en vuelo cuando la atmósfera es tan tenue que las alas del aparato ya no generan sustentación.
    Aparte de que se trata de motores que necesitan de una cierta densidad atmosférica para operar, digamos metafóricamente que "respiran" aire.

    Por ello para alcanzar alturas y velocidades de orbitación se necesitan propulsores muy poderosos y que lleven su propia atmósfera "enlatada", los motores cohete.

    Los requisitos de estos motores son muy elevados, pues no sólo deben poder transportar la carga útil hasta órbita, sino que deben además ser capaces de arrastrar su propio combustible durante buena parte del viaje.

  4. avatar Luckytrast

    Así que cuanto más subimos menos efecto hace la aerodinámica y más combustible con oxígeno necesitamos y la falta de gravedad no compensa lo suficiente. Bueno si es como digo creo que lo he cogido, muchas gracias.

  5. Si, de hecho, la gravedad a la altura de la ISS es prácticamente igual a la que tenemos aquí, pero como no hay aire, no puede sustentarse, así que necesita estar en órbita, pero la velocidad necesaria para eso es más de 7,5 Km/s

  6. avatar Luckytrast

    Ya me habéis jodido así que ¿ la ISS se mantiene por estar en órbita ? Eso se merece una entrada y explicarlo o que me paséis un en lace de alguno que exista que sea tan explícito y fácil de entender como este.

  7. avatar Luckytrast

    Enlace que el corrector me lo ha separado.

  8. Lo aclararé mejor en otra entrada, pero la idea es la del cañón de Newton, la "parábola" de la caída de la ISS (y de cualquier satélite en órbita, incluso la Luna) nunca llega al suelo, de manera que vuelve a donde estaba. Es capaz de dar una vuelta completa a la Tierra sin bajar la altura, porque la curvatura de la caída es la misma a la curvatura de la Tierra.

    En el dibujo de arriba sería el caso C, en el que la velocidad es tal, que nunca cae, pero nada lo sustenta, es decir, está en todo momento en caída libre, pero nunca baja su altura. El concepto es anti-intuitivo ya que estamos habituados a que todo caiga, aunque sea muy lejos.

    Es por esto que dentro de la estación están a gravedad 0, no es porque no haya gravedad, que como he dicho, es casi igual a la que tenemos aquí abajo, sino que al estar en caída libre, no lo notan.

    La explicación física es que cualquier objeto girando recibirá una fuerza centrípeta, y en el caso de una órbita, el objeto no cae porque la fuerza centrípeta se iguala a la de la gravedad.

    Es por lo mismo que la Tierra gira entorno al Sol, nada nos sustenta, excepto nuestra fuerza centrípeta por la gran velocidad que lleva la Tierra, y lo mismo pasa con el Sol entorno a nuestra galaxia, por eso no se cae hacia el agujero negro del centro.

  9. La órbita consiste en una trayectoria de caida en la cual vas tan rápido que para cuando llegas al suelo, el suelo ya no está ahí, te has pasado de largo, y aún así sigues cayendo, pero a esa velocidad no acabas de tocar tierra en ningún momento porque además de caida tienes una componente de desplazamiento horizontal que te mantiene alejado del suelo, lo que unido a la ausencia de fricción atmosférica en las orbitas más elevadas, tu vehículo se mantiene cayendo durante largos periodos de tiempo, pero sin llegar nunca a "caer" contra el suelo. Por eso se llama caida libre a la situación en la que flotas por la nave, pues todo el conjunto está cayendo a la misma velocidad, sin llegar "nunca" a alcanzar el suelo.

    Ahora bien, si aumentas la velocidad de orbitación sólo un poco, entras en lo que se llama velocidad de escape y tu trayectoria escapa a la atracción gravitatoria terrestre (superas su fuerza, aunque sigues sujeto a ella) y te alejas del planeta.

  10. La verdad es que está muy bien esa explicación, solo un apunte, lo de que la velocidad de escape sea solo un poco mayor, bueno, en el caso de LEO, la velocidad de escape es casi 11Km/s y allí van a 7,6Km/s, así que necesitan una gran aceleración para salirse de la órbita.

  11. avatar Luckytrast

    Como bien has dicho es anti-intuitivo no tenía no idea que la gravedad en la ISS es casi igual que en la superficie y que el efecto caída libre es lo que les hacia estar sin gravedad. Es como cuando hacen las pruebas con un avión en caída libre, imagino. Fascinante !!!!! . Creo que he asimilado el concepto muchísimas gracias. Una última cosa entonces ¿ a que altura se esta en ingravidez sin necesidad de contrarrestar con el efecto caída ?

  12. Esa es una buena pregunta, pero curiosamente, no hay una respuesta clara. Es decir, la gravedad de un cuerpo en el vacío se extiende hasta el infinito, así que en teoría, en todo momento debería estar en movimiento la nave que orbitara, a menos velocidad cuanto más lejos, pero siempre en movimiento para no caer.

    Lo que pasa es que la Tierra no está sola en el universo, así que hay un momento donde la gravedad de la luna se hace tan fuerte como la de la Tierra, y entonces, la nave podría no moverse respecto a la Tierra o la luna, como curiosidad, ese punto se llama el punto Lagrange 1 (L1) del sistema Tierra-Luna. en ese lugar, ya no nos atraería la tierra, pero no porque su influencia se hubiera acabado, sino porque la de la luna se le iguala, y más allá, la supera. Aún así, en ese punto, aunque podemos estar quietos respecto a la luna y la tierra, nos tenemos que seguir moviendo respecto al sol.

    De hecho, para no movernos respecto al sol, tendríamos que irnos hasta donde su influencia se iguala con la de otra estrella, es decir, muy, muy lejos.

    Básicamente, lo importante es que no hay una altura, sino un punto, bueno, de hecho 5 respecto a cada cuerpo mayor, es decir, la Luna tendrá 5 puntos respecto a la Tierra, y la Tierra 5 respecto al sol, como se puede ver en el link que te he puesto.

    Algo curioso más, y es que al otro lado de la luna, hay otro punto donde acaba la influencia de la Luna y vuelve la de la Tierra, y por tanto, nos podríamos mantener teóricamente estables, es el punto Lagrange 2 (L2).

    Además, la esfera que une esos dos puntos al rededor de la Luna, se le llama esfera de Hill, que es la zona donde la Luna gana a la Tierra, y por tanto, si estuvieramos quietos en esa zona, nos caeríamos a la Luna, y no a la Tierra, pero fuera de esa esfera, nos caeríamos a la Tierra.

    Me da que con esto podría hacer 4 artículos más para dejarlo muy, muy claro, porque la verdad es que los conceptos no son nada fáciles. Si quieres entender mejor el tema de la gravedad, y cómo funcionan las naves espaciales, hay un simulador gratuito para PC, que la verdad es que es un poco complejo de usar si uno no está acostumbrado, llamado Orbiter. Aún así, puedes mirar vídeos en Youtube para hacerte una idea. Sobretodo con procedimientos como el de rotar una nave sin fricción, ya que los aviones usan los flaps para rotar, pero sin aire no se puede.

  13. La velocidad de escape es (raíz cuadrada de 2) veces la velocidad de orbitación a esa altura.
    Por ejemplo a 400 km de altura la velocidad orbital es unos de 7.668 m/s. Multiplicando esta cantidad por raíz cuadrada de 2 obtenemos 10.844 m/s, que correspondería a la velocidad de escape a esa altura concreta.

    Los 11.200 m/s corresponden a la velocidad de escape desde la superficie de la tierra, donde el valor de la aceleración de la gravedad es de -9.8 m/s2.

    Enlace a la pagina de Wikipedia (en inglés) donde está explicado. En castellano no figura ni pequeña una parte de la información.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Escape_velocity

    Si es cierto que se requiere un gran impulso, pero no es tanto como el necesario para adquirir la velocidad de orbitación, saliendo desde el fondo de nuestro pozo gravitatorio.

  14. Si, eso es cierto, el impulso una vez en órbita, para casi cualquier cosa que se quiera hacer será menor al inicial para entrar en ella.

  15. avatar Aitor

    Muy interesante la verdad, creo que me ire leyendo poco a poco toda la info que tienes en esta categoría del blog ya que son temas que me gustan pero nunca he tenido mucho tiempo que dedicarles, además, para el proyecto en el que estamos voy a necesitar formarme en estas cosas.

    😉

  16. avatar Lug Kas

    Buena, Muy buena estas explicaciones. gracias, tema que me apasiona.

  17. avatar daniel

    Gracias por todos los comentarios, aprendi muchas cosas

  18. avatar Mauricio

    Hola! Me estaba preguntando ¿Por qué no seguiste una carrera de astronatica o astronomía?

  19. Bueno, pues fue una duda que tuve en su momento. Finalmente me decidí por informática ya que tenía algo de experiencia en el tema. No obstante sigo muy unido al mundo astronómico.

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