¿Por qué los satélites no caen del cielo?

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Los satélites pueden permanecer en la órbita terrestre gracias a una perfecta interacción de fuerzas entre la gravedad y su velocidad. La tendencia de los satélites a escapar al espacio es anulada por la atracción gravitacional de la Tierra, de modo que está en perfecto equilibrio. Este es el mismo principio que explica cómo los satélites naturales, como la luna, quedan bloqueados en la órbita de un planeta.

Pero algunas personas muy inteligentes tuvieron que hacer cálculos matemáticos muy complicados para diseñar el lanzamiento perfecto del satélite. Si el satélite se mueve demasiado rápido, escapa al espacio. Demasiado lento y está destinado a estrellarse contra la atmósfera.

Con la distancia, la velocidad y la trayectoria correctas, un objeto puede desafiar la atracción gravitacional de la Tierra durante bastante tiempo. De hecho, la gravedad, la misma fuerza que intenta arrastrarlos hacia la superficie, es una fuerza vital para mantener los satélites en órbita alrededor de nuestro planeta.

Y para hacerlo entretenido, vamos a empezar con montañas rusas.

Cayendo perpetuamente

Si alguna vez has estado en una montaña rusa, sabrás esa extraña sensación que tienes en el estómago al tomar curvas o colinas. Físicamente hablando, esa sensación se produce por inercia; aunque el carro está cambiando de dirección, tu cuerpo se resiste a este cambio. Está atado con seguridad al carro, pero sus órganos internos tienen un poco más de libertad para moverse. Entonces, por unos momentos, esencialmente siguen moviéndose en la trayectoria anterior, mientras que el resto de tu cuerpo está en una nueva.

Este proceso se resume claramente en la primera ley del movimiento: un objeto, ya sea que se mueva en línea recta o esté en reposo, mantendrá ese estado hasta que una fuerza externa actúe sobre él. La fuerza externa aquí puede significar muchas cosas, desde la resistencia del aire hasta la gravedad o golpear una pelota voladora con un bate.

Los satélites artificiales y naturales se basan en esta ley para mantenerse por encima de las nubes. Dado que no hay resistencia del aire en el espacio, una vez que un cuerpo se pone en movimiento, prácticamente no hay nada que lo frene. No pierde energía cinética (impulso), por lo que puede seguir moviéndose para siempre.

Los satélites que construimos hoy obtienen su energía de los cohetes que los ponen en órbita. Tienen suministros internos de combustible y propulsores, pero no se utilizan para mantener la velocidad. Son para maniobras como evitar escombros o cambiar de órbita. Los cohetes imparten a los satélites que transportan una gran cantidad de energía, ya que necesitan viajar a velocidades de al menos 17 600 mph (28 330 km/h) para poder escapar de la gravedad de la Tierra. Después de la separación del satélite, queda suficiente energía para mantener ese satélite en órbita alrededor de la Tierra durante varias décadas, incluso algunos siglos.

Aún así, el propósito de un satélite es permanecer cerca (en términos relativos) para que pueda transmitir nuestras publicaciones en las redes sociales en todo el mundo. Pero por lo que hemos visto hasta ahora, ¿no deberían simplemente viajar al espacio para siempre? Sí. Pero hay otra fuerza en juego aquí, la gravedad. Mientras que el impulso mantiene a los satélites en movimiento, la gravedad es lo que los mantiene en nuestra órbita.

Si llenas un balde con agua y lo giras muy rápido, verás que el agua no se derramará. Está siendo empujado contra el fondo del balde por la inercia (en este caso, la fuerza centrífuga), pero ese balde y tu brazo trabajan contra la fuerza. Al final se equilibran: el agua no puede moverse por el fondo del balde, tampoco puede escapar por el borde, por lo que permanece en un lugar.

Para los satélites, la gravedad de la Tierra actúa como el brazo y el balde en el ejemplo anterior. Una forma realmente simple de entender el proceso es visualizar el satélite como un cohete que siempre avanza, atado con una cadena muy larga al centro de nuestro planeta, simplemente girará en círculos.

Lo importante aquí es conseguir la distancia correcta. En primer lugar, desea que su satélite esté fuera de la atmósfera del planeta, para evitar el arrastre del aire y mantener una velocidad constante. Pero no querrás estar demasiado lejos, porque la fuerza de la gravedad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dos objetos. Entonces, si duplica la distancia entre un satélite y la Tierra, la gravedad solo lo atraerá con una cuarta parte de la fuerza. Si lo triplicas, sería solo una novena parte de la fuerza. En otras palabras, ponga un satélite demasiado cerca de la Tierra y caerá. Ponlo demasiado lejos y se escapa al espacio.

En esencia, lo que intentan hacer los ingenieros cuando ponen un satélite en órbita es hacerlo caer para siempre. Lo colocamos lo suficientemente alto como para que la fricción del aire sea casi cero (idealmente, cero). Luego lo empujamos muy rápido en una dirección. Finalmente, confiamos en la gravedad de la Tierra para jalarla hacia abajo mientras avanza, por lo que el movimiento resultante es un círculo. Debido a que avanza y el planeta es redondo, esencialmente está ganando altitud constantemente. Pero, dado que también está cayendo al mismo tiempo, está perdiendo altitud constantemente. El punto ideal es hacer que escape al espacio tan rápido como cae a la Tierra, todo el tiempo.

Si los cálculos se hacen correctamente y la fase de despliegue va correctamente, estos dos se cancelan entre sí y obtenemos un satélite en órbita. En la práctica, nunca funciona del todo a la perfección, razón por la cual estos dispositivos están equipados con combustible y propulsores para que puedan realizar pequeños ajustes en su dirección de movimiento o altitud y mantenerlos en órbita.

Un buen ejemplo de lo que sucedería en ausencia de estos propulsores es la Luna. Nuestro confiable y distintivo compañero nocturno no está en una órbita estable, escapando lentamente de la atracción gravitacional de la Tierra. Debido a los detalles de cómo el campo gravitatorio de la Tierra interactúa con la Luna, nuestro planeta lo está acelerando muy lentamente hacia una órbita más alta. Continuando con el ejemplo anterior, está haciendo que la fuerza de escape al espacio sea un poco más poderosa que la fuerza de caída a la Tierra. Como consecuencia, la Luna probablemente saldrá de su órbita con la Tierra en el futuro, pero estamos hablando de miles de millones de años aquí.

Alternativamente, tenemos (¿teníamos?) la estación espacial Mir como ejemplo. Esta instalación rusa finalizó su misión en marzo de 2001 y fue llevada a una órbita más baja hasta que fue desorbitada. Aquí, la fricción del aire lo desaceleró constantemente. Debido a esto, la gravedad comenzó a ganar ventaja y Mir finalmente se quemó en la atmósfera mientras giraba alrededor del globo, más y más cerca de la superficie.

La física de cómo interactúan los cuerpos en el espacio siempre es fascinante, al menos lo es para mí, y generalmente tiene una peculiaridad extraña que condimenta cada escenario. La idea de que algo puede seguir cayendo para siempre sin acercarse al suelo ciertamente es peculiar, y me fascinó desde la primera vez que lo encontré. Más tarde, la ciencia ficción me llevaría a conceptos como las hondas gravitacionales, que son muy similares a lo que hemos discutido aquí, pero en realidad te ayudan a ir al espacio más rápido . Enfriar.

Nuestra discusión hasta ahora hace que todo este proceso parezca simple y, en teoría, lo es. Pero muchas personas brillantes tuvieron que hacer cálculos matemáticos extremadamente complicados para hacerlo posible, y muchos todavía lo hacen, para mantener los satélites orbitando sobre nuestras cabezas. Por mucho que caer para siempre suene a magia, se basa en innumerables horas de trabajo intelectual y, en la actualidad, en algunas computadoras muy poderosas que ejecutan cálculos durante todo el día.

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