Viajes espaciales

Empecemos por lo básico. ¿Como logra moverse por el espacio una nave actual?. Lo logra gracias al llamado Principio de conservación del impulso lineal (PCIL). ¿Suena impresionante verdad?. Los principios de conservación son, casi, las piedras angulares de la física. Sin ellos, muchos cálculos y predicciones serian imposibles.

Figura 1: la nave Enterprise

Son leyes empíricas que se descubrieron observando la naturaleza y en las que se confía hasta el momento en que resulten violadas. Existen el principio de conservación de la energía, de la masa, de la carga, del impulso angular, de la paridad, etc. En esencia lo que dice cualquiera de estos principios es que para un dado sistema la cantidad aludida (energía, masa, etc.) tendrá el mismo valor en todo momento bajo determinadas condiciones. En particular, el PCIL dice que si en un sistema cualquiera no hay fuerzas externas una cantidad llamada impulso lineal (tambien llamado cantidad de movimiento o momentum) tendrá siempre el mismo valor. El impulso lineal se define como: p = mv donde p es el impulso lineal, m es la masa del sistema y v la velocidad.

¿Como se relaciona esto con el movimiento?. Por ejemplo, suponga que está parado sobre un lago helado sin patines. Cualquier intento de caminar solo logra que sus pies resbalen sobre la superficie. Físicamente su impulso lineal es cero ya que no tiene velocidad, además el PCIL afirma que mientras nadie le de un empujón desde afuera el impulso seguirá siendo cero. ¿Como llegar a la orilla? bien, quítese el saco (haremos aquí la hipótesis de que está vestido, sinó su moral podría ser puesta en duda y además todo el experimento carecerá de sentido pues morirá de frío antes de terminarlo) y arrójelo en dirección contraria a la que quiere moverse usted. El saco es parte del sistema constituido por su cuerpo y su ropa (cuyo impulso era cero) y el esfuerzo que hace usted para arrojarlo no es una fuerza externa por lo tanto el impulso del sistema debe seguir siendo cero. Ahora bien, el saco adquirió velocidad de manera que tendrá un impulso distinto de cero, ¿como podría el sistema seguir teniendo impulso cero?, si, adivinó, basta con que el resto (es decir usted, sin el saco) adquiera un impulso en dirección contraria exactamente del mismo valor que el del saco. Claro, esto no significa que su cuerpo alcance la misma velocidad que el saco, recuerde que p = mv, como la masa de su cuerpo es mayor que la del saco la velocidad de su cuerpo tendrá que ser menor para compensar. Y así podrá llegar lentamente a la orilla. Si es impaciente y desea mas velocidad bastara con que arroje otras prendas en la misma dirección que el saco. Aunque no lo crea esa es la forma en que se mueve todo (y quiero decir: TODO). Quizás el ejemplo le recuerde a los chorros con los que se mueve un calamar o un avión a reacción pero de hecho cuando caminamos aplicamos el mismo principio (quizás en su forma mas sencilla de principio de acción y reacción), también los automóviles, los pájaros en el aire y los peces en el agua. Todo lo que se mueve lo hace en base a este principio.

Pero volvamos a la nave. Un cohete se encuentra a punto de despegar, la velocidad es cero entonces el impulso será cero también (¿le suena repetitivo?). El PCIL afirma que valdrá cero en todo momento (mientras nada externo golpee al cohete). Cuando comienza a quemar combustible la masa de gases generada que formaba parte del sistema será expulsada hacia abajo con cierto impulso, entonces la nave recibirá un impulso equivalente hacia arriba y... ya sabe lo que sigue (es curioso que cuando se planteó la idea de construir cohetes para viajar por el espacio - por Goddard, entre otros- habia quienes sostenían que sería imposible viajar por el vacío al no existir nada contra que avanzar). Es sorprendente que todo el movimiento se base en un solo principio. Hay algo mas sorprendente aún, no conocemos ninguna otra forma de moverse mas que ésta.

Figura 2: cohete Titan despegando

Cuando el cohete llega al espacio exterior sigue moviéndose por inercia a la velocidad con la que escapó de la atracción gravitatoria de la Tierra, conserva el impulso ganado por la expulsión de los gases y a lo sumo bastará con cohetes auxiliares para lograr correcciones en su dirección. Una vez en el espacio una nave podria acelerar sin tener propulsión propia, es el caso por ejemplo del Voyager. Con la trayectoria adecuada (bastante difícil de calcular) al pasar cerca de un planeta puede ser impulsada a velocidades mucho mas altas por transferencia de impulso desde el campo de gravedad del planeta. La nave gana impulso y se mueve a mayor velocidad mientras que el planeta lo pierde y se mueve mas lentamente, por supuesto la masa del planeta es enorme comparada con la de la nave por lo que la pérdida de velocidad de éste es despreciable.

Rocket and Space Technology: Sitio con abundantes detalles tecnicos sobre la tecnología espacial, cohetes, etc. http://users.commkey.net/Braeunig/space/index.htm