En un vídeo de una estación orbital, alguien suelta un objeto y este permanece cerca. Los pies no presionan el suelo y las cosas no caen sobre la mesa. Parece que la Tierra ha dejado de atraerlas. Sin embargo, la gravedad terrestre es lo que mantiene la estación en órbita. ¿Cómo encajan ambos hechos?
Los astronautas flotan porque la persona, la estación y los objetos libres caen juntos por la gravedad; el suelo no necesita sostenerlos desde abajo. La gravedad no ha desaparecido en órbita. Desaparece la carga habitual sobre el apoyo, pero la fuerza gravitatoria permanece. NASA: por qué flotan los objetos en órbita.
La sensación habitual empieza en el suelo
Cuando estás de pie en una habitación, la Tierra tira de tu cuerpo hacia abajo, pero el suelo impide que caigas libremente. Los pies presionan el suelo y este empuja los pies hacia arriba. Esa fuerza de contacto es la fuerza normal. Incluso un apoyo rígido se deforma un poco y responde a la carga. OpenStax: cómo surge la fuerza del apoyo.
Una báscula de fuerza responde a esa interacción. No tiene un sensor independiente de «cuánta gravedad terrestre hay aquí»: el contacto con el cuerpo carga su muelle o sensor de fuerza. Un aparato doméstico convierte esa fuerza en una lectura de kilogramos según su calibración. Nuestro esquema muestra directamente la fuerza en newtons, con la masa de la persona indicada por separado.
Conviene precisar los términos. En muchos textos en inglés y español, peso significa la fuerza gravitatoria sobre el cuerpo; la magnitud asociada al apoyo se llama peso aparente. El original ucraniano sigue una convención escolar en la que «peso» es la fuerza que el cuerpo ejerce sobre un apoyo o una suspensión debido a la gravedad. La reacción del apoyo actúa en sentido contrario sobre el cuerpo. Son fuerzas distintas sobre objetos distintos, aunque sus módulos sean iguales en ese par de contacto. La fuerza gravitatoria de la Tierra es otra interacción. Al comparar idiomas o fuentes, hay que comprobar las definiciones. Manual ucraniano de Física, §12, p.75.
Cuando el suelo cae contigo
Imaginemos una pequeña cabina cerrada, una persona y una esfera, inicialmente en reposo unas respecto a otras. Ahora empiezan a caer libremente: es un experimento mental sin resistencia del aire ni otras influencias externas. En una región pequeña, la gravedad terrestre les proporciona prácticamente la misma aceleración.
La cabina ya no impide que la persona caiga: cae a su lado. Tampoco hace falta una fuerza que presione a la persona contra el suelo. Una báscula ideal sin carga indica cero. Si la esfera se suelta sin darle un empujón, no empieza a caer rápidamente respecto a la persona: ambas se mueven casi igual.
Es la ingravidez aparente: en nuestra idealización, el cuerpo no carga un apoyo ni una suspensión. Su masa permanece, la Tierra sigue atrayéndolo y persona y cabina aceleran juntas. Esa caída conjunta explica la escena inusual del interior. NASA Glenn: caída libre y lectura de la báscula.
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Cómo una báscula puede indicar cero sin que g sea cero
Sea m la masa de la persona en kilogramos, g la aceleración gravitatoria local y a el módulo de la aceleración de la cabina hacia abajo, ambas en m/s². La aceleración describe el cambio de velocidad con el tiempo. Llamemos N a la fuerza normal sobre la persona y tomemos como positivo el sentido hacia arriba. Si solo actúan apoyo y gravedad:
N − mg = − ma,; N = m(g − a).
Para a = 0, tenemos N = mg: el apoyo equilibra la gravedad. En caída libre conjunta, a = g, así que N = 0, aunque mg no sea cero. Con los valores ilustrativos m = 60 kg y g = 9,8 m/s², la fuerza gravitatoria sigue siendo 588 N.
Es un modelo vertical local en un campo casi uniforme. Para un contacto mantenido usamos 0 ≤ a ≤ g; si el suelo acelera hacia abajo más deprisa, se aleja de la persona en vez de producir una «fuerza normal negativa». La fórmula no calcula una órbita completa.
En órbita, la caída no termina en la superficie
Un recorrido vertical corto acaba llegando al suelo. En órbita, la estación tiene además suficiente velocidad lateral: mientras la gravedad curva su movimiento hacia la Tierra, la superficie redondeada permanece por debajo de la trayectoria. La estación cae alrededor de la Tierra, en lugar de quedarse suspendida encima. En una órbita circular, la altura puede ser constante aunque la velocidad cambie continuamente de dirección. Ese cambio de dirección también es aceleración.
La persona del interior ya tiene casi la misma velocidad orbital. La gravedad modifica su movimiento de manera parecida al de la estación. Por eso no necesita un suelo que la empuje continuamente hacia arriba. Esta explicación no requiere un motor que sostenga permanentemente la nave desde abajo. NASA: cómo la caída libre se convierte en movimiento orbital.
La distancia al centro terrestre no ha aumentado muchísimo. A una altura ilustrativa de 400 km, un modelo esférico sencillo da una aceleración gravitatoria de unos 8,7 m/s², aproximadamente el 89% del valor superficial. Basta para cambiar intensamente el movimiento de la estación. Los 400 km son una altura elegida para aprender, no un informe actual sobre la órbita de la EEI.
Compara los tres estados. Primero predice qué cambia al pasar del apoyo a la caída libre conjunta cerca de la superficie: ¿el propio g o el contacto con el suelo?
La gravedad actúa. ¿Hay carga sobre el apoyo?
Predice si g cambia cuando la cabina empieza a caer libremente. Elige un estado y compara la gravedad con la lectura de la báscula. Las flechas del teclado cambian la selección.
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De dónde sale el 89 por ciento
Fuera de una Tierra esférica sin rotación, la gravedad disminuye con el cuadrado inverso de la distancia al centro, no de la altura sobre el suelo. Sea R ≈ 6371 km el radio terrestre, h = 400 km la altura y g_(0) ≈ 9,8 m/s² una referencia superficial redondeada. Entonces:
(g(h))/(g_(0)) = (((R)/(R + h)))^(2); = (((6371)/(6771)))^(2); ≈ 0,885.
Obtenemos g(h) ≈ 8,7 m/s². Para la misma masa de 60 kg, la fuerza gravitatoria sería unos 521 N, no cero. El cociente de radios es adimensional; ambos deben expresarse en las mismas unidades. Se omiten la rotación y el achatamiento terrestres, así como las variaciones locales del campo. NASA: radio y parámetros de la Tierra, OpenStax: ley de gravitación.
Una estación real solo se aproxima al ideal
En una nave real hay pequeñas influencias adicionales. La tenue atmósfera superior frena la estación; funcionan ventiladores y bombas, las personas se mueven y a veces se encienden motores. Además, la gravedad difiere ligeramente entre las partes de una nave grande. Por eso los objetos pueden desplazarse despacio y experimentar vibraciones.
En este contexto, microgravedad describe un entorno con pequeñas aceleraciones relativas residuales y cargas. No significa que el gran valor terrestre de g se haya convertido en una millonésima de su valor superficial. La calidad de ese entorno depende del lugar, el momento y la actividad de los equipos. NASA: guía para investigadores, pp.42–43.
La explicación tiene un límite sencillo: el vacío por sí solo no crea ingravidez. Si un cuerpo descansa sobre un apoyo inmóvil en una cámara de vacío, permanecen la gravedad y la carga del apoyo. Y si un astronauta se impulsa desde una barra, adquiere movimiento respecto a la cabina: la ingravidez no borra los empujones ni vuelve nula la masa.
Comprueba el esquema: ¿por qué puede la báscula indicar cero cerca de la superficie y en órbita, si los valores de g son distintos? Porque en ambos estados libres la persona no está sostenida por un apoyo cargado. La lectura nula describe una fuerza de contacto, no la desaparición de la Tierra o de su gravedad.
El astronauta flota, por tanto, en caída libre junto con la estación. Vuelve a los tres estados y sigue solo dos fuerzas: la gravedad sobre la persona y la fuerza del suelo sobre ella. La siguiente pregunta del curso, qué es la masa y cómo se distingue del peso, afianzará esta diferencia.