171.-Planetas

La energía de los planetas

Para terminar sus trilogías, Coppola nos pintó la relación entre la Iglesia y la mafia, Zemeckis decidió que la ciencia ficción bien podía ser un western y Tolkien armó una escalada bélica tan grande y hermosa que da miedo que alguien entierre los libros y otro alguien siga esta costumbre de que si está escrito tiene que ser de verdad y funde una religión.

Cuando Newton quiso terminar su trilogía, le bastó con escribir que ‘Para toda acción ocurre una reacción igual y opuesta’, y dudo que se haya imaginado que esta iba a ser la más famosa de sus tres leyes, no por su enorme valor real sino porque sirve de analogía para un montón de cosas distintas, algunos chistes fáciles y actividades de oficina poco ortodoxas.

Tercera ley del bardo

En agosto de 2011 una nave espacial con destino a Júpiter comenzó su viaje y hace pocas semanas (julio 2016) fue capturada exitosamente en una órbita alrededor del gigante joviano desde donde en los siguientes dos años sacará fotos y hará todo tipo de mediciones del planeta. Luego se arrojará, mártir, contra él, en una última demostración de amor y ciencia. Esta nave fue bautizada Juno por la mujer de Júpiter (aunque también era la hermana, pero de eso mejor no hablemos). La pregunta es cómo se utilizó la famosa tercera ley de Newton para completar esta odisea de 19 UA (o 2850 millones de km).

Vamos a partir de que para que un objeto esté en órbita debe alcanzar una velocidad suficiente como para que, al caer, lo haga sin tocar el suelo. ‘Así como esta mesa ejerce fuerza sobre el vaso para que no caiga al piso, cuando yo te aparto de mí, también me alejo de ti en una forma igual y contraria’. No lo dijo Newton, porque nunca tuvo novia, pero hubiera sido una forma bien innovadora de decir ‘no sos vos, soy yo’. A lo que voy es que cuando un objeto ejerce fuerza sobre otro, el otro ejerce fuerza sobre el objeto. Y esta es la única forma que tenemos de hacer mover las cosas.

En un auto, por ejemplo, las ruedas ejercen fuerza de fricción sobre el piso y el piso sobre el auto, resultando esto en que el auto acelere. De manera análoga, numerosos estudios de la Pontificia Universidad de Nicaragua han demostrado que cuando Chuck Norris hace flexiones de brazo no sólo se levanta él sino que empuja la Tierra hacia abajo. Esto sería sorprendente, si no fuera porque todos tenemos ese mismo poder. Sistema de referencia aparte, la tercera ley funciona para TODOS los objetos que interactúan, sean Chuck y la Tierra o el auto y la Tierra. Como la masa de la Tierra es muchas, MUCHAS veces mayor que la de una persona (un 1 con 23 ceros), la aceleración que obtiene es mínima. Esta diferencia se describe en la segunda ley de la trilogía newtoniana (aceleración = fuerza/masa).

El problema es que en el espacio generalmente no hay contra qué empujarnos, por lo que tenemos que llevar nuestra propia vianda. Y si nuestra vianda es de algún material que tenga mucha energía almacenada como para poder lanzarlo lo más rápido posible, mejor. Por ejemplo gas a presión o, por qué no, algún combustible. Entonces, quemamos el combustible o aceleramos las partículas de alguna forma, las apuntamos para que salgan para un lado y nosotros salimos para el otro (Wiiiiii). Este método es lo que se denomina propulsión, y así funcionan los cohetes, las sillas con matafuego y los motores a reacción (aunque ‘silla propulsada por matafuego’ técnicamente sea un subconjunto de ‘motores a reacción’). Es el único método (hasta ahora) para aumentar o disminuir la velocidad de las cosas en el espacio. A este cambio de velocidad se le llama delta-v cuando uno quiere sonar como que entiende algo sobre mecánica orbital.

¿A qué venía todo esto? Ah, ¡JUNO! El primer tramo del viaje implicó sacar la sonda de la Tierra y de su esfera de influencia (el límite imaginario fuera del cual la principal fuerza gravitatoria sobre la nave es la del Sol y no la de la Tierra), para ponerla en una órbita alrededor del Sol. Para esto hay que aumentar la velocidad aún más que para que se mantenga en órbita. Para esta parte se usó un cohete denominado ‘lanzador’ de la familia Atlas (el lanzador del ARSAT fue un Ariane 5) que tiene un pasado oscuro como misil intercontinental.  

El lanzador no sólo tiene que llevar la nave Juno (o carga útil) de 3600 kg sino que también se tiene que llevar a sí mismo y a todo el combustible que no haya quemado todavía haciendo que la masa del lanzador crezca exponencialmente con el delta-v que se quiera dar llegando a cifras que llegan a sonar ridículas. En este caso se necesitaron 511 toneladas de propelente para dar a la nave un delta-v de 16,7 km/s y además otros 2 km/s para compensar por salir de la atmósfera.

El lanzamiento se estructura en etapas para ir dejando peso y así evitar que la cifra se vuelva aún más ridícula. En este caso, una etapa central de kerosene (posta) y oxígeno líquido, acompañada de boosters de propelente sólido cuya composición es secreta pero no muy distinta de una mezcla de nitrato de potasio con azúcar (posta II) y una segunda etapa de hidrógeno y oxígeno líquidos.

Ahora, si uno saca un par de cuentas (porque, OBVIO que todos nos sentamos a hacer esas cuentas) se puede percatar de que este delta-v no nos alcanza para llegar a Júpiter, sino que sólo llegamos al cinturón de asteroides, esa medianera que separa a nosotros, los planetas rocosos, de esa chusma de gigantes gaseosos y piedas congeladas (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Para evitar que el tamaño del lanzador pase a tener números de masa ahora sí totalmente estúpidos, la gente de NASA decidió robarle un poco de energía a la Tierra y dársela a la nave (sin rituales extraños de por medio).

Esta técnica se llama ‘asistencia gravitacional’ o, en términos más del barrio de los rocosos de donde soy, ‘gomera planetaria’. Esta maniobra se basa en pasar cerca de un planeta y ser deflectado en una dirección distinta a la que uno venía, y termina en que uno sale con una velocidad respecto del Sol distinta que con la que entró. Más rápido si pasa por atrás y más despacio si pasa por adelante, y esto puede sonar sorprendente de dos maneras distintas: primero, porque es un flash, y segundo, porque parece que estamos obteniendo energía de la nada y eso medio que no se puede porque EN ESTA CASA RESPETAMOS LAS LEYES DE LA FÍSICA.

A varios nos saltó la alarma de la conservación de la energía y el momento cuando leímos sobre esto ya que no se trata de otra cosa más que un choque elástico (un rebote perfecto, digamos, así todos lo entendemos. Todos tuvimos un rebote perfecto), pero lo importante es fijarse en el marco de referencia que usa uno. Con respecto a la Tierra, la nave entra y sale con la misma velocidad, pero no con respecto al Sol. Esto pasa porque la Tierra ya tiene una velocidad respecto del Sol (unos 30 km/s). Una buena analogía es imaginarse que uno se para en la vía y tira una pelota a 10km/h hacia el frente de un tren en movimiento a 50km/h. La pelota respecto del tren llega a 60km/h (en valor absoluto) y rebota a esa misma velocidad. Ahí entra el tema de los marcos de referencia: en el nuestro, quietos, la pelota rebota hacia nosotros a 110 km/h, haciendo que mientras nos preguntamos si era tan buena idea pararse frente a un tren en movimiento y arrojarle una pelota, tengamos que esquivar esa misma pelota, pero a una enorme velocidad. A todo esto, cabe aclarar que el tren (o el planeta) ‘casi’ no se frena, por la diferencia de masas.

La sonda Juno no es la única que ha usado este tipo de maniobra. La Voyager 2 se ayudó de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno para escapar del Sistema Solar y luego seguir camino al espacio interestelar, fuera del sistama solar (y si eso no impresiona a una potencial pareja en un bar, es porque no era la persona indicada).

Con la maniobra ya en mente, Juno siguió su órbita que cruzaba la de Marte para volver y pasar a unos 560 km de la Tierra (que, contextualizando los tamaños de los que hablamos, básicamente es acariciar la superficie). En esta maniobra de gomera la sonda Juno ganó unos 7 km/s, o sea, medio lanzamiento más de energía (o 166.000 toneladas más de propelente, sin ser muy precisos), y no sólo esto sino que quedó en una trayectoria directa a Júpiter. O sea que le tiramos con una cosa a un objeto distante que nos la rebotó acelerada y después la volvimos abarajar en la dirección que queríamos, usando un par de reglas básicas de hace unos cientos de años que se le ocurrieron a un chabón en su casa.

El espacio es un viaje de ida

Tres años después, la sonda finalmente llegó a su destino, pero todavía faltaba un último paso para quedar en la órbita de Júpiter. Como dijimos antes, para el planeta la nave entra y sale a la misma velocidad, o sea que si venía en una órbita de fuera de la esfera de influencia, saldría nuevamente en una órbita de escape. Es por esto que en el punto más bajo de la órbita, a 4200km sobre la ‘superficie’ (bah, la altura donde la presión de los gases es igual a una atmósfera, porque ‘superficie’, cuando sos gaseoso, te queda medio raro) la nave Juno encendió su motor durante 35 minutos apuntado en dirección opuesta a la de movimiento, y así frenó 500 m/s y quedó ‘capturada’ en una órbita alrededor de Jupi. Con otra maniobra a realizarse en octubre quedará en la órbita por un período de 14 días en los que realizará las mediciones y fotografías para lo que fue preparada.

Que un puñado de leyes de hace 200 años nos permitan agarrar un objeto, apuntarlo para arriba, que pegue la vuelta en el espacio profundo, vuelva, tome envión usando la Tierra como gomera y llegue a Júpiter, a mí me parece absolutamente maravilloso, y lo único que me hace ruido es tratar de ser consistente e imaginarme a otra persona a la que le genera una acción igual, pero opuesta.

 

EXTRA: no me pude resistir a agregar esto. No me juzguen.

 

http://spaceflight101.com/spacerockets/atlas-v-551/
http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/




Hay 32 comentarios

Añadir más
  1. Federico

    Creo que lo único que me sorprende más que el universo y sus misterios, es el ingenio de las personas que hacen e hicieron posible este tipo de cosas… Que groso.
    Excelente nota!

  2. Pablo

    Como siempre, TODITOS los artículos del El Gato y la Caja, son estupendos. Nos ayudan a entender ( aunque a veces quedemos peor, pero eso tambíen es importante), y como consecuencia nos hace buscar y pensar. Sigo ( y desde que los descubrí en la web), firme y leyendo. Saludos y felicitaciones. Pablo (Un puntano en Bs As).-

  3. AleDamiani

    Fe de erratas: “…esa medianera que separa a nosotros, los planetas rocosos, de esa chusma de gigantes gaseosos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno).”

  4. Largo

    Y si además te pones a pensar que Júpiter está a tanta distancia que las órdenes que se le dan a Juno llegan con un retraso zarpado, te das cuenta que el boludo que está en el centro espacial la tiene te clara para las maniobras, y no es ningún boludo.

    • Juan Francisco Bertona

      No, y menos aun la gente que programó el control ya que debido al tiempo que tardan en viajar por el espacio los comandos (entre 32 y 54 minutos en función del momento de los años terrestre y joviano) juno debe realizar todas las maniobras por su cuenta. Siendo la más crítica el frenado en júpiter, ya que se debía encender el motor principal luego de estar 5 años en el espacio y siendo la consecuencia de una falla en esta maniobra que la nave terminara en cualquier lado menos cerca de júpiter.

  5. Seba

    Newton seguramente no contempló la atracción que ejerce El Gato y la Caja sobre nuestras mentes, pero vale destacar la importancia de su teoría en otros campos.
    PD: Me gustó la canción, ¿estoy mal también? Pero es un “Mal”… bien.

  6. Natalia

    Esta nota me dejó con varios puntos dando vueltas:
    1. Si antes todo el tema de Juno me había impactado, ahora lo hace mucho más! impresionante.
    2. En todo el aspecto Juno, la parte de los tipos que estaban detrás de todo había pasado como “un grupo de físicos…” y ya. Ahora no dejo de pensar en ellos y todo el momento tan tensionante y hermoso que deben haber vivido!!!
    3. Cuando estudié física en el colegio y vi lo de la fuerza que ejerce un objeto cuando hay otro objeto que lo empuja, me quedó en deuda terminar de entender algunas cosas (ojo que me encantaba la física!!)… ahora me quedaron más claras… así que gracias por ayudarme a cerrar ese capítulo (jeje)
    4. Juan Francisco, si algún día haces alguna cuestión online para hablar de este tema por favor avisa porque hay varias preguntas más que quedaron dando vueltas jejeje

    Chicos, excelente como siempre! Genios!!!

  7. Hernán

    Lo único que me sonó mal de esta nota es la afirmación del autor de que “Todos tuvimos un rebote perfecto”, metiéndose en la vida privada sin saber nada de uno. Este muchacho sabe mucho de física pero qué sabrá si a uno lo relanzaron al espacio exterior usando como impulsor a un chabón sonriente

    • Tomas

      Aquí está algo parecido a la reacción que menciona Juan Francisco al final de la nota… El gato entró a la caja y Hernán insiste en buscarle la 5ta pata.

  8. EST.A.

    Estupenda lírica criolla, muy amena y pedagógica para explicar complejas logísticas de una Vía aeroespacial sin cota, niños de 12 pueden entenderlo (entre ellos yo). Podrías comenzar una nueva etapa en la vida,como guionista en Hollywood para “The Big Ban Theory” o nueva trilogía de ficción – ciencias junto a M.H.Walsh. y el Eternauta,PAZ +)

  9. Martin Ezequiel Farina

    A nivel espacial y aplicación de leyes físicas siempre me sale decir lo mismo: “que increíble todo”. Usar planetas para aumentar la velocidad, programar todo para que se prenda en el momento justo luego de años en stand by o, mismo saliendo de lo humano, que existan planetas gaseosos. The truth is out there.
    Lo que no me quedó muy en claro es porque se genera ese efecto rebote, intuitivamente tiendo a pensar que al acercarse a la Tierra la sonda debería sentir atracción gravitacional (que sexy suena) hacia ella y no rebotar ¿Como es ese “robo de energía”?

    • Juan Francisco Bertona

      Al acercarse a la tierra efectivamente la sonda siente atracción gravitatoria por lo que se acelera al acercarse y se desacelera al alejarse. Y es esta fuerza la que hace que interactúe la tierra con la sonda.
      Generalmente el concepto de rebote está asociado a una colisión, como es en el ejemplo que escribí del tren, en el cual la pelota rebota por interacción directa cuando golpea (toca) al tren.
      En este caso no hay colisión, sin embargo la tierra atrae a la sonda como si hubiera una cuerda invisible entre los dos que es la gravedad y por eso se produce el rebote.
      La sonda atrae la tierra de manera igual y opuesta. Entonces la misma fuerza que hace en una dirección la tierra a la sonda, la sonda se la hace a la tierra, frenándola.

      En el caso de que la sonda pase por delante de la tierra, lo que sucedería es que la sonda se frenaría y la tierra se aceleraría.

  10. 1000io

    Che, a todo esto, ya se sabe que es la gravedad? qué la genera? Don Newton esclareció los efectos de la gravedad pero no su origen. Mi vieja info es que los físicos se venían rompiendo la cabeza hace rato con esto. Es así? hay alguna gatinota respecto a esto?

    • Juan Francisco Bertona

      Una vez un profe de física, agarrando uno de los tomos de “Física Universitaria” de Sears me dijo. “Este libro esta lleno de efectos, pero no de causas” y me dejó pensando mucho tiempo, hasta el día de hoy todavía me lo cuestiono, pero hasta donde yo he aprendido, no he podido demostrar lo contrario.
      La gravedad en una interpretación relativista es el efecto que causa la curvatura del espacio-tiempo producido por los objetos con masa.

      https://www.youtube.com/watch?v=MTY1Kje0yLg (tiene subtítulos automáticos en español)

      Según otras interpretaciones que intentan conciliar la gravedad con la física de las fuerzas más fuertes (electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil) es una interacción mediada con una partícula que se llama gravitón, asi como el fotón media las interacciones electromagnéticas.
      Ya me estoy yendo de mi campo de conocimiento ya que orienté mi vida a las bellas artes de la ingeniería y no a la oscura rama de la física, pero probablemente un físico pueda responderte mucho mejor y mintiéndote menos.

      De todas formas, qué causa esta curvatura?, porqué existen distintos tipos de fuerza? porqué es el que el universo es casi todo materia y casi nada de antimateria? Por qué es que el universo existe? El tema de las causas da para discutir y pensar mucho. Mientras tanto, el método científico seguirá ocupándose de los efectos como venimos haciendo.

  11. MARIANA TROITIÑO

    BUENISIMO FRAN!
    LA UNICA PERSONA QUE CONOZCO CAPAZ DE USAR LAS PALABRAS ” ASISTENCIA GRAVITACIONAL ” Y ‘ POSTA ” EN UNA MISMA FRASE .JA JA !
    CASI CASI QUE LO ENTENDI Y TODO!
    GENIAL EL TEMA MUSICAL CON VIDEITO !

    BESOS !

  12. Sebastian

    ¿La reaccion opuesta no seria que la nave afecta la orbita del planeta alrededor del sol? Claro esta que la diferencia de masas es tanta, que un enorme impulso para esa pequeña cosita es la nada misma para el planeta.

  13. Francisco

    La nota es genial pero no puedo dejar pasar de largo esta oración:

    “Tolkien armó una escalada bélica tan grande y hermosa que da miedo que alguien entierre los libros y otro alguien siga esta costumbre de que si está escrito tiene que ser de verdad y funde una religión.”

    Hermoso todo.


Publicar un nuevo comentario