Vuelos de gravedad cero: ¿Cómo se consigue ingravidez en un avión?

12/01/2014 25 comentarios
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El pasado mes de noviembre tuve la oportunidad de hacer mi segundo vuelo de gravedad cero con la NASA. Después de esta experiencia, mucha gente me ha preguntado en qué consisten estos vuelos, cómo es posible conseguir ingravidez en ellos, o si la ingravidez que se experimenta es del mismo tipo que la que experimentan los astronautas en el espacio. Trato de explicar todo esto en esta entrada.

El Centro Espacial Johnson cuenta con una Universidad de Microgravedad en la que colaboro. A través de esta Universidad, distintos equipos de estudiantes universitarios del país tienen la oportunidad de volar experimentos específicamente diseñados para realizar con ellos investigaciones en un entorno de ingravidez dentro del Programa de Investigación en Gravedad Reducida de la NASA, cuya base operativa se encuentra en el aeropuerto de Ellington Field, un aeropuerto de uso conjunto civil y militar situado en el sureste de Houston y a unos cinco kilómetros del Centro Espacial. Los vuelos de gravedad cero dentro de este programa se realizan en la actualidad a bordo de un avión Boeing 727-200 especialmente adaptado. El pasado mes de noviembre tuve la oportunidad de participar en mi segundo vuelo de gravedad cero, a raíz del cual mucha gente me ha hecho muchas preguntas relacionadas con la ingravidez y con el vuelo: ¿Cómo es posible conseguir ingravidez en un avión?, ¿a qué altura vuela el avión?, ¿se trata de la misma ingravidez que experimentan los astronautas? Trataré de contestar a todo esto en esta entrada pero, para ello, creo que primero hay que hablar un poco acerca de la gravedad.

Todos los cuerpos con masa crean a su alrededor un 'campo gravitatorio', que es de mayor o menor intensidad dependiendo de la cantidad de la masa que lo crea. La Tierra, con sus casi 6 cuatrillones de kilos, genera un campo gravitatorio por el que otros cuerpos con masa (como nosotros) se ven atraídos hacia su centro con una cierta aceleración: la aceleración de la gravedad. Esta aceleración es la que nos confiere nuestro peso, y su valor decrece a medida que nos alejamos de la Tierra. En la superficie terrestre, la aceleración de la gravedad es de unos 9,8 metros por segundo al cuadrado y, por convenio, nos referimos a este valor como un 'g'. Así pues, 1g es la aceleración con la que nos atrae la Tierra en su superficie. A medida que nos alejamos de la superficie, la aceleración de la gravedad decrece, pero hay que estar realmente muy lejos de la Tierra para que la gravedad sea muy pequeña y pueda considerarse inexistente a efectos prácticos. Por ejemplo, para sentir la millonésima parte de 1g terrestre habría que estar a algo más de 6 millones de km de la Tierra; esto es, a casi 16 veces la distancia de la Tierra a la Luna. Ningún ser humano ha viajado más allá de la Luna y, sin embargo, se habla de 'ingravidez' a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés), la cual orbita alrededor de la Tierra a 400 km de altura, ¿cómo es esto posible? A una altura de 400 km, el valor de la gravedad es, de hecho, todavía de casi 0,9g; es decir, viene a ser un 10% menos que la gravedad que experimentamos todos los días sobre la superficie de la Tierra. Esto quiere decir que una persona situada estáticamente a 400 km de altura pesaría sólo un 10% menos que en la báscula de su casa. A la altura de 10 km a la que vuelan los aviones comerciales y a la que aproximadamente vuela el avión en el que experimenté ingravidez, el valor de la gravedad es de 0.997g, es decir, sólo un 0,3% menos que la gravedad que se experimenta sobre la superficie de la Tierra. ¿Cómo es entonces posible que los astronautas de la ISS o yo y mis compañeros en el avión experimentemos ingravidez cuando el valor real de la gravedad de la Tierra a esas alturas (0.9g y 0.997g, respectivamente) es tan próximo al valor de 1g en la superficie?

Una de las claves para entender esto reside en aclarar primero que los términos ‘ingravidez’, o ‘gravedad cero’, que utilizamos cuando hablamos en este contexto, realmente son incorrectos. Ambos términos hacen referencia a la condición en la que la aceleración de la gravedad es cero (0g); esto es, en la que la fuerza de atracción no existe y en la que, por lo tanto, nuestro peso sería cero. Sin embargo, la gravedad no se puede ‘apagar’, y hay que irse a millones de km de la Tierra para experimentar valores muy pequeños de gravedad terrestre. De hecho, la falta absoluta de gravedad se da únicamente a una distancia infinita del cuerpo que la crea. Realmente, cuando se habla de ‘ingravidez’ a bordo de una nave espacial o a bordo de un vuelo de gravedad cero, habría que decir que lo que se da es más bien un ‘efecto equivalente a la ingravidez’ o un ‘efecto equivalente a la falta de peso’. Es este ‘efecto equivalente a la falta de gravedad’ y no la ‘falta de gravedad’ lo que realmente se consigue en la ISS y en los vuelos llamados de gravedad cero a bordo de un avión. Pero, ¿cómo se crea un efecto equivalente a la ingravidez?

A pesar de que siempre tenemos peso en un campo gravitatorio, el peso sólo se siente cuando estamos sobre una superficie que soporta nuestro cuerpo frente a la acción de ese campo gravitatorio, bien sea esta superficie el suelo de casa, un sofá, o el suelo de un avión en un vuelo comercial regular, etc.; esto es, sentimos nuestro peso precisamente por el efecto de la fuerza de resistencia que estas superficies ofrecen a nuestro peso. Sentimos la falta de peso cuando el suelo sobre el que estamos, o el recinto dentro del que estamos, se mueve a la vez que nosotros bajo la misma y única influencia de la fuerza gravitatoria de la Tierra. Si estuviéramos dentro de un ascensor en lo alto de un rascacielos y se rompiera el cable, tanto el ascensor como nosotros en el interior caeríamos bajo el mismo efecto de la gravedad terrestre, caeríamos por efecto de nuestros pesos pero, dentro del ascensor, nuestro cuerpo no estaría siendo soportado por su suelo, por lo que no sentiríamos nuestro peso; esto es, una báscula en el suelo del ascensor nos indicaría que no pesamos nada, y se conseguiría así un efecto equivalente a la falta de peso o a la falta de gravedad mientras durara la caída (ver la imagen 1). Los movimientos en los que los objetos se mueven sólo bajo la influencia de la gravedad se denominan de ‘vuelo libre’ o de ‘caída libre’, y es gracias a este tipo de movimiento que se puede recrear un efecto equivalente a la falta de gravedad. Aunque sea un poco difícil de apreciar ahora, algo similar es lo que ocurre a bordo de una nave espacial en órbita y en los vuelos llamados de gravedad cero como veremos luego. El término ‘libre’ hace referencia a que el objeto en cuestión se encuentra en un movimiento libre de toda fuerza que no sea la de la gravedad. Aunque ampliamente utilizado, el término ‘caída libre’ es confuso, y preferiré no usarlo en favor del término ‘vuelo libre’. Es confuso porque, comprensiblemente, tendemos a asociar una caída libre con un movimiento únicamente descendente; sin embargo, cuando se habla de caída libre o de vuelo libre, nos referimos a aquél movimiento que se da sólo bajo la influencia de la fuerza de la gravedad, independientemente de cómo sea el movimiento (cuando tiramos hacia arriba una pelota de tenis, ésta está en caída libre desde que la soltamos, aunque inicialmente su movimiento sea ascendente).

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1. Ascensor A ascendiendo o descendiendo a velocidad constante como lo hace cualquier ascensor, y ascensor (B) en vuelo libre (o caída libre). En el caso A, las fuerzas que actúan sobre el individuo son dos: la gravedad y la fuerza de resistencia que ofrece el suelo. En el caso B, la única fuerza que actúa sobre el individuo es la de la gravedad, por lo que se puede decir que el individuo está en caída libre. (De momento, para facilitar la comprensión, estoy omitiendo la pequeña fuerza de rozamiento con el aire al caer el ascensor B). Fuente: ESA.

Aunque poseen un fundamento físico bastante más simple de lo que pueda parecer, las trayectorias de vuelo libre que se pueden dar pueden resultar visualmente muy distintas dependiendo de las condiciones iniciales que se den. Un ascensor que se descuelga cae recorriendo una trayectoria de vuelo libre particular que es simplemente vertical descendente; una pelota que se lanza a canasta recorre una trayectoria en vuelo libre con forma de parábola (o parabólica) desde que acaba de ser lanzada por el jugador hasta que toca el aro. Está en vuelo libre desde que se lanza ya que mientras la pelota está en el aire, sólo la fuerza de la gravedad está actuando sobre ella. (En ambos casos estoy omitiendo la pequeña fuerza de rozamiento con el aire para facilitar la comprensión de los ejemplos). Pero una órbita alrededor de la Tierra no es más que otro caso particular de trayectoria en vuelo libre. En este caso, un cohete lanza a la nave espacial con sus astronautas en una trayectoria orbital alrededor de la Tierra. Una vez que acaba el lanzamiento, la trayectoria que describe la nave (y sus tripulantes dentro) en el espacio está afectada únicamente por la presencia de la fuerza gravitatoria (no hay otras fuerzas actuando sobre la nave; una nave en órbita no precisa tener encendidos sus motores para mantenerse en órbita), por lo que una órbita no es más que una gigantesca trayectoria de vuelo o caída libre en la que, simplemente, la trayectoria es paralela a la curvatura de la Tierra, por lo que, en principio, un objeto en esta trayectoria nunca acaba de caer. Esta es la razón por la que los astronautas aparecen flotando en el interior de la estación, porque caen continuamente junto con ella, pero no porque no haya gravedad, al igual que el individuo en el ejemplo del ascensor que se descuelga. Los casos del ascensor y de la nave espacial sólo se diferencian en las condiciones iniciales: el primero simplemente se descuelga, mientras que la segunda es lanzada por un cohete que la pone en órbita a una velocidad paralela a la superficie de la Tierra de varios kilómetros por segundo. Es precisamente la fuerza de la gravedad la que hace que la trayectoria de la nave espacial se vaya curvando; sin la fuerza de gravedad actuando sobre la nave, ésta simplemente se alejaría de la Tierra a la velocidad que tuviera. En los dos casos, ambas trayectorias son de vuelo libre una vez se descuelga el ascensor y se acaba de lanzar la nave espacial ya que a partir de esos respectivos momentos la única fuerza presente que actúa tanto en un caso como en el otro es la fuerza de la gravedad.

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2. Isaac Newton ideó este ejemplo por el que se puede visualizar cómo una órbita es, en realidad, una trayectoria de caída libre perpetua. En este ejemplo, un cañón en lo alto de una montaña, por encima de la atmósfera, dispara una bola cada vez con más velocidad. Una vez la bola sale del cañón se encontrará en una trayectoria de vuelo libre ya que su movimiento sólo se verá afectado por la fuerza de la gravedad. Las bolas, disparadas cada vez con más velocidad, caen en un punto más lejano sobre la superficie de la Tierra, habiendo una velocidad a partir de la cual la bola no deja de caer. A esta velocidad se dice que la bola se ha puesto en órbita. Fuente: Principia Mathematica, VII, Libro III, p. 551 (1687).

En un vuelo de gravedad cero a bordo de un avión, el efecto equivalente a la ingravidez también se consigue volando una serie de tramos de trayectorias en vuelo libre. El avión hace primero un ascenso normal hasta una altura de unos 7,5 km y a partir de ahí inicia un ciclo de trayectorias periódicas. Desde esta altura, el avión asciende hasta unos 10 km con una inclinación de 45 grados. Este ascenso se realiza con los motores y podría considerarse como un pequeño lanzamiento ya que se puede decir que el avión va tomando impulso para, a partir de un punto específico en ese ascenso, abandonarse a una trayectoria de vuelo libre. La trayectoria durante el tramo de vuelo libre tiene una forma de parábola, como la parábola que hace un balón de baloncesto al ser lanzado a canasta. Al final de esta parábola, el avión empieza a descender, también con una inclinación de 45 grados, hasta una altura por debajo de la que empieza a ir frenando el descenso para acabar entrando en el valle de la trayectoria. El punto mínimo de este valle se da a la altura original de unos 7,5 km y a partir de ahí se vuelve a repetir el ciclo. Por lo tanto, en estos vuelos, la ingravidez o, mejor dicho, el efecto equivalente a la falta de gravedad, contrariamente a lo que mucha gente cree, se consigue realmente en los tramos elevados de la trayectoria mientras se está en vuelo libre, y dura, dependiendo del avión y de la pericia del piloto, alrededor de 25 segundos. El avión repite este proceso las veces que sea necesario. En nuestro caso, el avión realiza 30 parábolas en total dentro del mismo vuelo, propiciando así 30 tramos de 25 segundos cada uno durante los que se experimenta el efecto equivalente a la falta de gravedad.

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3. Avión C-9 de la NASA durante el ascenso y descenso en un vuelo de gravedad cero, junto al perfil de la trayectoria para este tipo de avión. La condición equivalente a la ingravidez se consigue en la parte alta de la trayectoria, donde el avión se abandona a una trayectoria de vuelo libre. Fuente: NASA.

Para finalizar, es conveniente hacer una importante aclaración: cuando el movimiento de vuelo libre se produce en presencia de aire, la fuerza de rozamiento con el aire afecta al movimiento. En otras palabras, ya no sólo está presente la fuerza de gravedad sino que también está presente la fuerza de rozamiento con el aire, con lo que el término ‘vuelo libre’ ya no sería estrictamente válido. Sin embargo, a velocidades pequeñas dentro de la atmósfera, el efecto del rozamiento con el aire no es tan importante y lo he preferido soslayar para favorecer el entendimiento del fundamento físico que subyace en las trayectorias de vuelo libre. No obstante, es interesante apuntar que el impacto de la ISS con las pequeñísimas trazas de atmósfera que aún existen incluso a la altura a la que orbita hace que vaya perdiendo altitud con el tiempo y que tenga que ser impulsada externamente de forma ocasional para devolverla a su altura operativa. Por otra parte, en el caso del avión, la presencia de aire sí es un factor muy importante y los actuadores del avión (alerones, timones de profundidad y motores) deben estar en una configuración que resulte en contrarrestar las fuerzas de rozamiento y de sustentación indeseadas para conseguir trayectorias de vuelo libre lo más limpias posibles.

Como conclusión, tanto la ISS como el avión de gravedad cero vuelan trayectorias de vuelo libre para producir el mismo efecto equivalente a la falta de gravedad (y no para producir falta de gravedad). La ISS lo hace a través de una trayectoria orbital en el espacio que le permite tiempos muy prolongados de condición equivalente a la ingravidez, y el avión lo hace a través de trayectorias parabólicas dentro de la atmósfera que le permite tiempos muy cortos de condición equivalente a la ingravidez; sin embargo, el fundamento físico en ambos casos y el efecto obtenido son de igual naturaleza.

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4. Durante mi segundo vuelo de gravedad cero con la NASA. De las 30 parábolas, alguna se emplea para aprender a adaptarte a la ‘ingravidez’ y, de paso, para disfrutar la experiencia. Fuente: NASA.