¿Por qué la Estación Espacial Internacional tiene una velocidad media de 27,743 km/h?

La Estación Espacial Internacional es una maravilla de la ingeniería moderna, un laboratorio a 408 km de altura media, que a pesar de lo que mucha gente cree no está flotando en el espacio, pues aún está dentro de la atmosfera terrestre ubicada en la termosfera. Tampoco está fija, pues da una vuelta completa a la Tierra en 92 minutos, esto quiere decir que su velocidad media es de 27,743 km/h. Pero ¿por qué va tan rápido? Pues pensaríamos que ir tan rápido no tiene ningún sentido si aparentemente no necesitan tener prisa allá arriba. Lo que más podríamos asumir que lo hace para poder alcanzar algún acoplamiento, pero sucede que es una velocidad que siempre llevan, incluso cuando no tienen que alcanzar nada. Entonces, ¿por qué tiene que ir a esta velocidad precisamente?

Para responder esto primero tenemos que acudir al más grande genio que ha dado la humanidad, Isaac Newton. Según dice la leyenda una vez estuvo sentado bajo un árbol de manzanas y le cayó una en la cabeza, y así descubrió la gravedad. Sin embargo, en realidad no fue precisamente así. Aunque posiblemente la idea pudo haberse inspirado de algo similar, pues tal vez en su tiempo de cuarentena al alejarse de la ciudad por una pandemia dada en su época, en aquel lugar rular de la familia al ver los frutos de esos árboles en el suelo le llegó la idea. Sin embargo, el detalle preciso que lo inspiró está en que Newton al observar la Luna se preguntaba sobre lo que hace que la luna se sostenga en su lugar, pues si aquellos frutos caen, ¿La luna cae? Pues si todo cae al suelo, la luna debería caer también, ¿o no?

Un dato interesante es que para resolver muchas de sus interrogantes tuvo que auxiliarse de las matemáticas, que para su época no le servían o al menos eran muy limitadas, de allí desarrolla el cálculo, que luego tendría una disputa con Lebniz sobre su autoría, pero ese tema lo detallaremos en otra ocasión. Un dato curioso es que Newton logra realizar todos estos descubrimientos con tan solo 23 años.

Volviendo al tema, ¿Qué descubrió Newton? Que la Luna precisamente está cayendo y formula una ley que describe no solo el comportamiento de la Luna, además describe todos los cuerpos celestes, es decir, que todos caen, incluso detalla que la Tierra y los demás planetas caen al Sol. Y sé que se estarán preguntando, A ver, ¿si todos los cuerpos con masa caen a nuestra estrella, por qué la Luna y todo lo demás con masa en la Tierra no sale disparados hacia el Sol? La respuesta está en la misma Ley de la gravitación universal de Newton.

Dicha ley establece que la fuerza de atracción entre cuerpos con masa es directamente proporcional a su masa e inversa al cuadrado de su distancia. Por si aún no comprenden porque no son muy habilidosos con términos matemáticos vamos a explicarlo con detalle. Imaginemos que tenemos un cuerpo m1 y otro mas masivo m2. Digamos que ambos cuerpos son la Tierra y nuestra estrella el Sol. Ambos cuerpos se atraerían a si mismo, sin embargo, la misma Teoría de la gravitación nos dice que la fuerza ejercida por el cuerpo mas masivo termina ganando sobre el menos masivo la cual atrae a dicho cuerpo, es decir, a mayor masa, mayor fuerza de atracción. Ok, lo sé, aun no se ha resuelto el problema, tranquilos que estamos llegando.

Lo que nos diría el sentido común es que el Sol atraería hasta los cuerpos que están en la Tierra porque tiene mas masa que la Tierra, es decir, que terminaríamos calcinados en el Sol. Pero la misma ley nos dice que la gravedad no funciona así -aunque nos encantaría que hiciera una excepción con varios políticos del planeta-. Lo que nos dice la ley es que la fuerza de gravedad que ejerce un cuerpo sobre otro va a depender del cuadrado de su distancia, es decir, mientras mas lejos esté, su fuerza de atracción será más débil y viceversa. En resumen, si la distancia crece la fuerza va a decrecer.

Por esta misma razón nosotros mantenemos los pies sobre la Tierra y la Luna se mantiene orbitando la Tierra, por la distancia, pues nosotros y la Luna estamos más cerca de la Tierra que del Sol, esto no quiere decir que el Sol no nos esté halando, simplemente la distancia compensa el hecho que la Tierra ejerza más gravedad sobre nosotros que nuestra estrella. Y si alguno lo pensaba, pues no, la Luna no termina de caer al suelo porque el Sol está halando y hay un equilibrio entre ambas fuerzas que las hacen cancelarse de alguna manera, todo lo contrario, debido a la distancia la atracción que ejerce la Tierra a la Luna le gana al Sol, por lo que tiene una caída hacia la Tierra, como una manzana que cae de un árbol.

Teniendo esto aclarado se que mas de uno dice “Espera, aun no has explicado cómo es que si la luna está cayendo no termina de caer en la Tierra y nos impacta, además, ¿por qué no terminamos calcinados en el Sol, pues debería terminar cayendo la Tierra hacia el?”. Descuida pequeño curioso, la respuesta es mas simple de lo que aparenta, pues todo se resume en sus trayectorias y velocidad, siendo más importante esta última para entender nuestro problema de la velocidad de la Estación Espacial Internacional.

Imaginemos que colocamos un cañón o lanzador de cohetes en la Tierra para mandar un proyectil al espacio, hacemos un primer lanzamiento y como es de esperarse la gravedad de la Tierra atraerá al proyectil, por lo que termina cayendo a cierta distancia. Realizamos otro lanzamiento, pero con más energía, lo que veremos que llegará más lejos e ira más rápido, pero aún no abandona la Tierra. Seguimos intentando una y otra vez, pero aplicándole más energía al proyectil, llegará un punto que el proyectil pasará sobre el horizonte y caerá al otro lado, presenciaremos como la distancia ha aumentado y parecería como si estuviera “volando”, no cayendo, pero en realidad es todo lo contrario, pues está formando un movimiento parabólico donde al final regresaría a la Tierra, es decir, cae.

Si seguimos aplicado más energía al lanzamiento podemos esperar tres cosas, la primera es que siga su curso, hasta que la gravedad la retorne hasta la tierra, la segunda que logre escapar de la gravedad y siga su rumbo en el espacio, pero para que eso suceda debe alcanzar algo llamado velocidad de escape, que la podemos obtener de las mismas ecuaciones de la ley de la gravitación universal, que es la velocidad que necesita un cuerpo para poder escapar de la gravedad. El tercero y ultimo seria un equilibro entre la velocidad para escapar y la fuerza que le hace descender a la Tierra, lo que permite que dicho proyectil se quede orbitando.

Para entender mejor este equilibrio debemos observar la curvatura de la Tierra y la curva de la trayectoria del proyectil, es decir, la parábola que produce con respecto a la circunferencia terrestre, que cuando la analizamos observaríamos que son similares, por lo que al mantener una trayectoria con cierta velocidad se mantenga cayendo infinitamente ya que la curva de caída es paralela a la curva de la Tierra. Esto es exactamente lo que experimenta la Estación Espacial Internacional, una caída libre infinita, que para poder preservar esta caída tiene que llevar esta velocidad. Lo mismo sucede con los satélites artificiales. Un dato curioso es que hay unos tipos de satélites artificiales llamados geoestacionarios, que son aquellos que la velocidad que lleva va en paralelo con la velocidad angular de la Tierra y le permite aparentar estar fijo en un lugar, pero en realidad se mueven, pero al mismo ritmo que la Tierra.

No obstante, quiero aclarar algo, las orbitas no son exactamente siempre circulares. Orbitas como la Tierra sobre el Sol y de la misma luna son elípticas, en donde van cayendo de la misma manera que el experimento imaginario, pero nunca terminan de caer por la trayectoria parabólica que lleva, hasta que aparenta poder escapar, pero la fuerza de gravedad vuelve a halar y repite el recorrido. La mecánica sigue siendo la misma. 

Al igual como sucede con nuestra luna y la Estación Espacial Internacional al orbitar en la Tierra, es el mismo mecánico que hace la Tierra orbite el Sol, y a su vez que nuestro sistema solar orbite el agujero negro supermasivo que está en el centro de nuestra galaxia la vía láctea. En resumen, todos estamos en caída libre infinitamente sobre algo.

Se que algunos ya se están cuestionando que si la Estación Espacial Internacional sigue estando sujeto a la gravedad, ¿por qué hay ingravidez allí? La respuesta es que no están en ingravidez, pues como sabemos están cayendo y es el mismo efecto de caer infinitamente que produce que puedan “flotar” allí. Es algo que se puede experimentar en aviones especiales donde se entrenan los astronautas que realizan maniobras de caída libre a extremas alturas para simular “ingravidez” por un tiempo, por lo que no es algo excepcional, pues lo podemos realizar incluso con aviones a menor altura.

Sin embargo, a pesar de que la Teoría de la gravitación universal nos ha ayudado a comprender el movimiento de los cuerpos celestes, poner astronautas y satélites en la órbita terrestre, no puede explicar ciertos fenómenos que parecen violar sus leyes, como lo es la orbita de Mercurio, que fue un dolor de cabeza para Newton y todos los que confiaban en dichas leyes para hacer predicciones fiables, y esto pudo deberse que quizás Newton al no comprender con exactitud que era esa fuerza que producía la atracción -aparentemente invisible- no tenía una visión completa de la gravedad. A pesar de ello, usamos esas mismas leyes para poner cualquier cosa en orbita y explicar la mayoría de los fenómenos celestes, es decir, que a pesar de no explicar algunas cosas podemos hacer un montón de cosas con ella. Tuvimos que esperar varios siglos después hasta que otro genio de nombre Albert Einstein encontrara la solución al problema de la orbita de Mercurio, al descubrir que en realidad a gravedad no es una fuerza, es un concepto geométrico del espacio, por lo que la ley de la gravitación universal estaba incompleta. Pero ese tema será para otra ocasión.

Como hemos aprendido, las mismas leyes que explican la caída de una manzana en su árbol, son las mismas que mantienen la Luna cayendo sin terminar al suelo, es decir, orbitando, y por la misma razón estas leyes explican por qué la Estación Espacial Internacional tiene una velocidad media de 27,473 km/h, que como ya sabemos es para que su caída libre sea infinita y así se mantenga orbitando.