Datos clave
- La gravedad proporciona la aceleración centrípeta que curva el movimiento orbital.
- En el experimento mental del cañón de Newton, un proyectil con suficiente velocidad cae alrededor de la Tierra sin tocar la superficie.
- Una nave recibe un impulso inicial de un cohete y puede usar sus propulsores para ajustes ocasionales.
- La periapsis es el punto más cercano al cuerpo central y la apoapsis, el más lejano.
- Aumentar la energía en la apoapsis eleva la periapsis; aumentarla en la periapsis eleva la apoapsis.
- El aerofrenado utiliza el rozamiento de la atmósfera para retirar energía orbital y conservar propelente.
Fichas relacionadas
Una nave espacial en órbita no ha escapado de la gravedad del planeta. La gravedad sigue actuando sobre ella y le proporciona la aceleración centrípeta necesaria para curvar su trayectoria. Mientras cae, su velocidad también la lleva alrededor del cuerpo central.
La NASA explica este principio mediante el experimento mental del cañón de Newton. La ilustración imagina un cañón en la cima de una montaña extraordinariamente alta y simplifica la física: deja de lado, entre otros factores, la resistencia de la atmósfera y las limitaciones de un cañón real. La mecánica orbital que representa, sin esos detalles, es válida.
Del proyectil a la órbita
Con un impulso inicial pequeño, la bala del cañón describe un arco y cae a cierta distancia. Si aumenta la velocidad, llega más lejos. Con suficiente velocidad, sigue cayendo alrededor del planeta sin tocar la superficie: ha alcanzado una órbita. En el ejemplo de Newton, el recorrido es una elipse.
Una nave espacial sigue el mismo principio general: un cohete le proporciona el impulso inicial y luego continúa cayendo alrededor del cuerpo celeste. Los propulsores permiten efectuar ajustes ocasionales; no tienen que permanecer encendidos para que la nave siga en órbita.
Gravedad y caída libre
Para moverse en una trayectoria curva, un objeto necesita aceleración hacia el centro de esa curva. En una órbita, la atracción gravitatoria mutua entre el cuerpo central y el objeto proporciona esa aceleración centrípeta.
Por eso, la sensación de ingravidez a bordo no significa que la gravedad haya desaparecido. La nave y sus ocupantes caen juntos, en caída libre, mientras la gravedad sigue curvando el movimiento orbital.
Periapsis, apoapsis y ajustes orbitales
En una órbita elíptica, la distancia al cuerpo central varía. La periapsis es el punto más cercano y la apoapsis, el más lejano. Son términos generales; se usan nombres específicos según el cuerpo orbitado, como perigeo y apogeo para la Tierra, y perihelio y afelio para el Sol.
La energía que una nave añade o resta en distintos puntos cambia la forma de su recorrido. Según la explicación de la NASA, aumentar la energía en la apoapsis eleva la periapsis; aumentarla en la periapsis eleva la apoapsis. Reducir la energía en uno de esos puntos disminuye la altitud del punto opuesto. Estas maniobras pueden hacerse con encendidos de los propulsores a bordo.
También es posible retirar energía orbital entrando deliberada y cuidadosamente en la atmósfera para aprovechar el rozamiento. Esta técnica se llama aerofrenado; la NASA señala que se ha utilizado en Venus y Marte y que conserva propelente.
Las leyes de Kepler y el movimiento orbital
Las leyes de Kepler describen características del movimiento orbital. La primera establece que la órbita de cada planeta es una elipse con el Sol en uno de sus focos, salvo que otros objetos la perturben. La segunda relaciona el movimiento con la velocidad: un objeto en una órbita muy elíptica se mueve más deprisa cuando está cerca del Sol que cuando está lejos. La tercera relaciona el periodo orbital con el semieje mayor de la órbita y las masas de los objetos que giran uno alrededor del otro.
La idea básica del experimento de Newton sigue siendo útil para comprender el vuelo espacial: un objeto orbita porque cae continuamente mientras avanza, y los cambios de energía pueden modificar su recorrido.
Fuentes: NASA, «Gravity & Mechanics: How Orbits Work»; NASA, «Gravity & Mechanics: Acceleration in Orbit and Kepler’s Laws»; NASA, «Gravity & Mechanics: Gravitation».