Gravedad en la Estación Espacial Internacional

La gravedad efectiva dentro de la ISS es muy cercana a cero, porque la estación está en caída libre. La gravedad efectiva es una combinación de gravedad y aceleración. (No sé si "gravedad efectiva" es una frase de uso común, pero me parece aplicable aquí).

Si estás parado en la superficie de la Tierra, sientes la gravedad (1 g, 9,8 m/s ^{2 ) porque} no estás en caída libre. Tus pies presionan contra el suelo y el suelo presiona contra tus pies.

Dentro de la ISS, hay una atracción gravitatoria hacia abajo de aproximadamente 0,89 g, pero la estación en sí está acelerando simultáneamente hacia abajo a 0,89 g, debido a la atracción gravitacional. Todos y todo dentro de la estación experimentan la misma gravedad y aceleración, y la suma es cercana a cero.

Imagine tomar la ISS y colocarla a una milla sobre la superficie de la Tierra. Experimentaría aproximadamente la misma gravedad de 1,0 g que tiene parado en la superficie, pero además la estación aceleraría hacia abajo a 1,0 g (ignorando la resistencia del aire). Nuevamente, tendrás caída libre dentro de la estación, ya que todo dentro experimenta la misma gravedad y aceleración (al menos hasta que toca el suelo).

La gran diferencia, por supuesto, es que la ISS nunca toca el suelo. Su velocidad horizontal significa que cuando cae, digamos 1 metro, el suelo está 1 metro más abajo, porque la superficie de la Tierra es curva. En efecto, la estación cae perpetuamente, pero nunca se acerca al suelo. Eso es lo que es una órbita. (Como dijo Douglas Adams, el secreto de volar es tirarse al suelo y fallar).

Pero no es tan simple. Todavía hay un poco de atmósfera, incluso a la altura a la que orbita la ISS, y eso provoca cierta resistencia. De vez en cuando tienen que volver a impulsar la estación, usando cohetes. Durante un reimpulso, la estación no está en caída libre. El resultado es, en efecto, una atracción "gravitacional" muy pequeña dentro de la estación, que se puede ver en un fascinante video de la NASA sobre cómo reactivar la estación .

Los astronautas simplemente están flotando porque cada uno está en órbita. Debido a que están a la misma altitud que la ISS, están en la misma órbita y se mueven a la misma velocidad que ella, por lo que parecen ingrávidos.

En primer lugar, la palabra "gravedad" connota una sustancia material que de alguna manera puede transferirse de un cuerpo a otro y la falta de este material hace que un cuerpo NO atraiga gravitacionalmente a otros cuerpos. Después de 20 años de enseñar física a estudiantes universitarios, tengo evidencia directa de este concepto erróneo. La solución es NO usar la palabra "gravedad" y reemplazarla con "atracción gravitatoria". En segundo lugar, se requiere atracción gravitatoria para que un satélite artificial mantenga algo más que una trayectoria de velocidad lineal y uniforme. En tercer lugar, los objetos no "flotan" ya que esa palabra (las palabras son muy importantes aquí, por cierto) connota el apoyo de alguna influencia física. El agua sostiene a los barcos. El aire detiene el avión. Globos de retención de aire. Nada mantiene "arriba" a la ISS o su contenido a medida que todo el sistema (nave + astronautas) está siendo atraído hacia el centro de la Tierra. En cuarto lugar, el término correcto que describe el estado de movimiento de la ISS y del astronauta es "caída libre". No hay nada más que eso. Los astronautas están en caída libre hacia el centro de la Tierra, pero también lo está la ISS y su suelo, que de otro modo los soportaría. Los astronautas NO están flotando. La ISS NO está flotando. Las cosas no flotan.

EDITAR: Tampoco existe la condición de "ingrávido", porque el término "peso" se define más correctamente como la atracción gravitacional entre la Tierra y un objeto, y eso nunca puede ser cero. Por supuesto, puede ser muy, muy, muy pequeño, pero no puede ser cero.

No tiene idea de lo mal que palabras como "gravedad", "ingravidez" y "flotación" dañan la comprensión de los estudiantes de los conceptos físicos más simples.

Una forma más sencilla de expresar esto es la siguiente: cuando rotas un objeto atado a una cuerda, hay una fuerza centrífuga que tira del objeto lejos del centro de rotación. Esto se llama fuerza centrífuga. La gravedad tira del objeto hacia el centro de gravedad, que también es el centro de rotación. La gravedad actúa como una cuerda. Cuando la fuerza centrífuga es igual a la fuerza gravitatoria, el objeto se encuentra en una órbita estable. El objeto y todo lo que hay dentro de él son ingrávidos ya que las dos fuerzas se anulan.

Así es como le demostré este concepto a mi hijo cuando era más joven. Tome una botella de plástico y ponga algunos guijarros o pequeños juguetes en ella. Luego tíralo al aire y atrápalo. Si miras en pleno vuelo, puedes ver los pequeños juguetes flotando dentro de la botella. Pero todavía están en 1G. Y cuando observa este ejemplo, es totalmente obvio lo que está sucediendo: los arrojó juntos, por lo que siguen aproximadamente los mismos caminos. Esto es exactamente lo que sucede en el Vomit Comet, y también es lo que realmente sucede en la ISS. Es solo que la ISS está siguiendo un camino que envuelve todo el camino alrededor de la tierra.

Gran parte de esta explicación es como lo que otros han dicho, pero realmente encuentro que realizar el experimento es realmente fácil y bastante convincente.

Considere un ascensor con la cuerda rota. El ascensor caería libremente. Un observador está dentro del ascensor (¡mala suerte para él!) soltando la bola justo en el momento de la caída libre. Dado que la bola y la sustentación caerían libremente, la bola parecería flotar. Por lo tanto, para el observador en el ascensor, parecería como si ninguna fuerza estuviera actuando sobre la pelota, usando esto, el observador en el interior puede verificar la primera ley de Newton en lo que respecta al observador en el interior. Una situación similar ocurre dentro de la ISS, para una persona dentro de la ISS estaría cayendo libremente ya que tanto la ISS como él mismo están experimentando la misma aceleración. Entonces, en ese marco de inercia particular, no estaría experimentando aceleración.

Cada objeto en una órbita casi circular estable alrededor de la Tierra en realidad está cayendo hacia la Tierra a una velocidad acelerada o a una velocidad de caída cada vez mayor, pero debido a su velocidad horizontal alrededor de la Tierra, diez veces más rápido que una bala de rifle para la ISS, la superficie de la Tierra se curva debajo de ella a la misma velocidad de caída y, por lo tanto, mantiene una altitud constante sobre la Tierra y nunca se acerca más al suelo.