¿Cómo escapar de la gravedad terrestre?

Lo que sube tiene que bajar a veces, pero no siempre. Un objeto que viaja a velocidad de escape ya no volverá a caer a la Tierra debido a la gravedad.

La tensión en el patio de recreo era palpable. Los jugadores de los dos equipos se pararon uno frente al otro, cogidos de la mano formando cadenas que no se romperían. Se gritó un nombre y emergió el jugador elegido del Equipo A. El equipo B se preparó para el ataque. Si este jugador pudiera romper su cadena de brazos entrelazados, el Equipo A ganaría.

Con el ceño fruncido por la concentración y la cara ardiendo con determinación, el jugador se lanzó hacia él …

Lograr la velocidad de escape fue quizás tan desafiante en el patio de recreo como durante los viajes espaciales.

Niños jugando al icono de color del juego.  Niños jugando al juego de rover rojo.  Concepto de actividad al aire libre.  Recreación de vacaciones de verano y niño, amistad.  Ilustración de vector aislado

un juego rápido para comprender la velocidad de escape (Crédito de la foto: ANTSTUDIO / Shutterstock)

El entendimiento común asociado con la gravedad se limita a su relación con el suelo bajo nuestros pies. La gravedad quiere atraernos hacia la Tierra (una fuerza que experimentamos como nuestro peso) y la Tierra hacia nosotros, sin embargo, el tamaño masivo de la Tierra hace que su movimiento hacia nosotros sea imperceptible, es decir, aunque tiramos de la Tierra un poco hacia nosotros, va desapercibido debido a la mayor masa de la Tierra. Cuanto mayor es la masa de un objeto, más difícil es moverlo, un fenómeno expuesto en la primera ley del movimiento de Newton.

Un libro de matemáticas (no importa cuán alegremente sea) lanzado al aire desde la Tierra cae nuevamente porque no tiene suficiente energía para liberarse de la atracción gravitacional de la Tierra. Lanza el libro más alto y pasará más tiempo en el aire antes de regresar finalmente a la Tierra. Pero devuélvalo lo hará. Todo lo que sube tiene que bajar. Sin embargo, si ese fuera siempre el caso, ¿cómo se mantienen los satélites y los cohetes sin caer de regreso a la Tierra?

Cómo alejarse de la gravedad

Como parte de un experimento mental, imaginemos a Newton, sentado tranquilamente bajo un árbol tratando de descifrar los misterios del universo cuando de repente es golpeado en la cabeza por una manzana. En un ataque de genialidad, Newton lanza la manzana que había caído en su cabeza hacia el cielo, un poco molesto como uno estaría si fuera golpeado en la cabeza por una fruta fuera de turno. ¡Newton tiene una epifanía! La manzana que acaba de arrojar al aire viajaría indefinidamente si no fuera por la gravedad que provoca su descenso y la fricción atmosférica que hace que se desacelere.

Newton se preguntó si la gravedad, que hizo caer la manzana, podría extenderse más allá de la Tierra y sus componentes, hasta la luna y otros planetas. Propuso que los objetos que caen al suelo y el movimiento de los planetas alrededor del sol podrían explicarse por el mismo principio.

Newton de dibujos animados se sienta bajo el manzano

La intuición de Newton condujo a la formulación de la ley universal de la gravitación. (Crédito de la foto: Fargon / Shutterstock)

Newton se dio cuenta de que sería posible enviar un objeto desde la Tierra al espacio si el objeto fuera proyectado desde la superficie de la Tierra con suficiente velocidad. Conocida como la velocidad de escape, esta es la velocidad mínima que permitirá a un cuerpo liberarse de las garras de la atracción gravitacional de otro cuerpo y viajar al infinito sin retroceder. Entonces, ¿con qué fuerza se debe lanzar algo hacia el cielo para que no regrese?

Imagínese atrapado en el fondo de un pozo. Para escapar, será necesario gastar energía para salir. La velocidad de escape es una medida de la cantidad precisa de energía requerida para llegar a la boca del pozo y nada más.

También conocida como la “segunda velocidad cósmica”, la velocidad de escape de la Tierra es de unos 11,2 km / s. Para una cierta velocidad, una nave espacial diseñada para viajar al espacio podrá alcanzar una órbita alrededor de la Tierra u otros objetos celestes. Para liberarse de tal órbita, se necesita una mayor velocidad. El término “velocidades cósmicas” fue acuñado por científicos rusos para describir las importantes velocidades asociadas con los viajes espaciales.

Ilustración de la física, la velocidad de escape es la velocidad mínima necesaria para que un objeto libre escape de la influencia gravitacional de un cuerpo masivo, Diagrama de velocidad de escape

Un cohete que escapa de la Tierra (Crédito de la foto: Nasky / Shutterstock)

La ‘primera velocidad cósmica’, conocida como velocidad orbital, hace que un proyectil gire alrededor del cuerpo cósmico. Un proyectil más lento que viaja a una velocidad menor que la velocidad orbital caerá hacia la Tierra. Sin embargo, una nave espacial no necesita alcanzar la velocidad de escape para viajar al espacio.

La Estación Espacial Internacional (ISS) que orbita la Tierra navega a una velocidad de aproximadamente 7,9 km / s. Con sus motores apagados, se encuentra en un estado de caída libre perpetua, sin embargo, da la vuelta a la Tierra con una velocidad que es suficiente para evitar que caiga.

Esto es algo análogo a la acción giratoria de un yo-yo. Cualquier objeto que gira tiene un momento angular asociado a él, pero la cuerda alrededor del eje del yo-yo lo jala hacia adentro en todo momento para que no se desplace en línea recta debido al impulso proporcionado. Similar a esto, la gravedad de la Tierra mantiene a la ISS en su órbita para que continúe su revolución alrededor de la Tierra.

Estación espacial internacional en la órbita del planeta Tierra (Dima Zel) S

La Estación Espacial Internacional orbitando la Tierra (Crédito de la foto: Dima Zel / Shutterstock)

Einstein, en su teoría de la relatividad general, postuló que la gravedad no es una fuerza entre masas sino una distorsión en el tejido del espacio-tiempo, causada por la presencia de masa. De manera similar a cómo una línea dibujada en una hoja de papel no parecerá recta si el papel está torcido, la trayectoria recta de un objeto también se doblará cuando el espacio-tiempo esté deformado. Dado que la gravedad deforma el espacio-tiempo de tal manera que las trayectorias rectas de todos los objetos se curvan de la misma manera cerca de la Tierra, todos los objetos caen al mismo ritmo.

Esto tiene importantes implicaciones en términos de velocidad de escape. Si la velocidad de escape asociada con un campo gravitacional se acerca a la velocidad de la luz, el campo gravitacional se considera fuerte. Una velocidad de escape menor indica un campo débil. Para velocidades bajas y campos gravitacionales débiles, los resultados obtenidos de la teoría general y la teoría de Newton son aproximadamente los mismos.

¿Escapar de un agujero negro?

La velocidad de escape depende de dos parámetros: la masa del objeto cuya atracción gravitacional debe ser reemplazada y la distancia al centro de masa de ese objeto. Para liberarse de la gravedad de la Tierra, un cohete debe acelerar a 11,2 km / s, pero para escapar de un planeta con la misma masa que la Tierra pero la mitad de su diámetro, la velocidad de escape tendría que ser diferente. Dado que el diámetro se reduce a la mitad, la distancia desde la superficie del planeta hasta su centro de masa se reduce y la velocidad de escape aumenta.

En un radio crítico conocido como radio de Schwarzschild, una masa gravitacional tiene una velocidad de escape igual a la velocidad de la luz. En el siglo XVIII, utilizando la ley de gravitación de Newton, John Michell propuso que la luz que abandona la superficie de una estrella suficientemente masiva no puede escapar.

Los cálculos de Michell no dieron estimaciones correctas, pero casi un siglo después, Karl Schwarzschild mostró que cuando un cuerpo colapsa más allá del radio de Schwarzschild, está destinado a convertirse en un agujero negro, ya que el radio de Schwarzschild es el límite en el que la gravedad triunfa sobre todas las demás fuerzas. . Por lo tanto, para escapar de la intensa atracción gravitacional de un agujero negro, se necesita una velocidad de escape mayor que la velocidad de la luz.

ilustración de la física y la astronomía.

Ni siquiera la luz puede escapar de un agujero negro (Crédito de la foto: Nasky / Shutterstock)

Todos necesitamos ser levantados a veces

Uno podría preguntarse: ¿el concepto de velocidad de escape se aplica también a las aves y los aviones? ¿Qué pasa con los globos de helio?

Aquí está la respuesta: la velocidad de escape se requiere solo cuando un objeto está tratando de liberarse del tirón gravitacional de otro cuerpo. En pocas palabras, un avión no tiene que alcanzar la velocidad de escape para volar porque no está tratando de escapar de la Tierra. Tampoco necesita estar en órbita alrededor de la Tierra.

Sin embargo, esto significa que para seguir volando, debe superar constantemente la aceleración descendente debida a la gravedad, lo que lo hace generando sustentación utilizando sus alas y motores.

Las aves también mantienen el vuelo utilizando el mismo principio, con sus alas produciendo una presión baja y alta por encima y por debajo de las alas para que se pueda lograr la sustentación. El componente clave aquí es la presencia de aire sin el cual, no sería posible crear un cambio en la presión del aire y, a su vez, levantar.

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Una gaviota en vuelo (Crédito de la foto: veinte20)

Los globos de helio están llenos de helio, que es más ligero que el aire. Cuando un gas pesado (más denso) interactúa con un gas ligero (menos denso), el más ligero flota en la parte superior. Un globo de helio se eleva en el aire hasta que alcanza una altura atmosférica en la que la densidad del aire dentro del globo es igual a la densidad del aire fuera de él. Esto genera la sustentación necesaria.

En teoría, al menos, un objeto puede viajar a velocidades distintas a la velocidad de escape y aún así poder elevarse completamente fuera del campo gravitacional del planeta. La velocidad de escape se ha definido solo para objetos no propulsados, es decir, un objeto que viaja a velocidad de escape no necesitará más ímpetu para escapar.

Para salir de la Tierra a una velocidad menor que la velocidad de escape, se necesitaría proporcionar un impulso continuo al objeto para superar la gravedad durante toda la duración del vuelo. Para una nave espacial, esto significa apoyo externo en términos de varios cohetes impulsores para mantener un empuje continuo para contrarrestar la gravedad de la Tierra, un empuje que se genera al quemar una cantidad indescriptiblemente vasta de combustible. Esto no solo sería un gran desperdicio de propulsores, sino que tratar de escapar de la Tierra o incluso alcanzar la órbita de esta manera mientras transporta cantidades tan enormes de combustible sería muy poco práctico.

La gravedad sigue siendo omnipresente influyente incluso cuando su atracción se debilita con el aumento de la distancia. Viajar más alto solo reduce su esfera de influencia, pero es posible que nunca se escape realmente. Sin embargo, con un poco de suerte y la velocidad adecuada, podría ser posible no sucumbir al canto de sirena.