¿Por qué muchos cometas y asteroides siguen moviéndose a través del sistema solar, pero las naves espaciales necesitan combustible para hacerlo?

Tus suposiciones son incorrectas.

Una nave espacial (una vez que haya escapado de la Tierra) también continuará viajando; de hecho, solo necesitará combustible para cambiar su trayectoria y velocidad sin los efectos gravitatorios de otros cuerpos.

Necesitará suficiente combustible o energía para mantener la vida, si tiene un barco tripulado, y una reserva de combustible para maniobrar en su destino, pero en el medio solo hay mucho deslizamiento, con ajustes menores de actitud. Ver, por ejemplo, la información del curso de Perseverancia :

La fase de crucero comienza después de que la nave espacial se separa del cohete, poco después del lanzamiento. La nave espacial sale de la Tierra a una velocidad de aproximadamente 24 600 mph (alrededor de 39 600 kph). El viaje a Marte tomará alrededor de siete meses y alrededor de 300 millones de millas (480 millones de kilómetros). Durante ese viaje, los ingenieros tienen varias oportunidades para ajustar la ruta de vuelo de la nave espacial, para asegurarse de que su velocidad y dirección sean las mejores para llegar al cráter Jezero en Marte. El primer cambio en la ruta de vuelo de la nave espacial ocurre unos 15 días después del lanzamiento.

Las naves espaciales seguirán viajando en sus órbitas al igual que los cometas o los asteroides, sin combustible. La excepción es que las naves espaciales en órbita baja se ven afectadas por la franja superior de la atmósfera y necesitan un ligero impulso cada pocos meses.

Las naves espaciales necesitan combustible para cambiar su rumbo o para volar desde el suelo al espacio y de regreso. Por lo general, solo hacen funcionar sus motores durante unos minutos y luego se mantienen en marcha durante meses o años. Los cometas, los asteroides y los planetas en realidad no cambian mucho de dirección, excepto cuando pasan por algo con suficiente gravedad para redirigirlos (lo que las naves espaciales suelen hacer también para ahorrar combustible).

Si no hubiera fuerzas sobre un objeto, entonces la Primera Ley de Newton nos dice que un objeto estacionario permanecería estacionario y un objeto en movimiento seguirá moviéndose. Entonces, un cometa o asteroide en movimiento sigue moviéndose.

Cuando hay una fuerza sobre un objeto, la Segunda Ley de Newton esencialmente nos dice que el objeto acelerará, disminuirá la velocidad y/o cambiará de dirección. Los cohetes aprovechan esto para acelerar al comienzo de su misión, cambiar de dirección para corregir el rumbo y reducir la velocidad en su destino. Necesitan combustible para hacer estas tres cosas; sin embargo, la mayor parte del tiempo simplemente están flotando como cometas y asteroides.

La gravedad del Sol, los planetas y las lunas son otras fuerzas que pueden actuar sobre los objetos en el espacio. Sin embargo, la fuerza de la gravedad suele ser bastante débil en el espacio, por lo que sus efectos ocurren gradualmente. El objeto se acelerará , desacelerará y/o cambiará de dirección lentamente, creando una trayectoria curva. Pero la gravedad que hace que un objeto en el espacio se detenga por completo no es algo que haga la gravedad.

Así que los cometas, asteroides y naves espaciales que están en movimiento permanecerán en movimiento, aunque a lo largo de la trayectoria curva creada por la gravedad. Se necesita combustible para cohetes para poner la nave espacial en movimiento, para hacer correcciones de rumbo y para reducir la velocidad en el destino, pero no se necesita combustible durante la mayor parte del viaje, cuando la nave espacial se desliza.

Como han dicho otras respuestas, no es necesario para mantener la velocidad.

En la década de 1600, Isaac Newton descubrió las matemáticas para el movimiento de objetos que coincidían con las observaciones, especialmente el movimiento de objetos en el espacio donde no hay fricción. Las llamamos Leyes del movimiento de Newton.

La Primera Ley de Newton es que solo necesitas aplicar una fuerza para cambiar tu velocidad, no para continuar a la misma velocidad.

Entonces, ¿por qué las naves espaciales que exploran el sistema solar necesitan propulsores de cualquier tipo?

El problema es con qué precisión puede iniciar su trayectoria. La precisión necesaria para llegar allí es literalmente inconmensurable. Como resultado, se necesitan algunas correcciones de rumbo en el camino. Generalmente son pequeñas, pero siempre van a suceder.

Pero, ¿qué hay de los propulsores de iones y VASIMR y cosas por el estilo que se supone que aceleran el desplazamiento por el sistema solar?

La parte clave de esa pregunta es "acelerar". Podría simplemente poner un solo gran golpe de aceleración y luego dejar que su nave espacial básicamente navegue hasta el destino, simplemente ajustando ligeramente la trayectoria. Eso es lo que hemos hecho hasta ahora.

Estamos descubriendo y desarrollando una gama de tecnologías de propulsores que pueden aplicar cantidades muy pequeñas de fuerza durante mucho tiempo sin necesitar mucho combustible. Ya se usan para ajustes de altitud en satélites, donde la pequeña cantidad de fricción de la atmósfera exterior degrada lentamente sus órbitas. La idea para los viajes más largos es que aplicar una pequeña fuerza de forma continua durante mucho tiempo puede llevarte a alcanzar velocidades más altas de las que podrías alcanzar con una sola y poderosa ráfaga de aceleración. Un Ferrari acelerando con fuerza durante 4 segundos alcanzaría las 60 mph. El pequeño hatchback de tu abuela acelera mucho más lentamente, pero puede llegar cómodamente a 100 mph si le das el tiempo suficiente. Eso te llevará a tu destino más rápido. . Por supuesto que no hay frenos en el espacio,

Entonces, ¿qué hay de La Expansión ? Se supone que eso es realmente preciso.

Están usando el mismo principio de aplicar una fuerza continua para llegar más rápido. Notarás que las naves espaciales giran de un extremo a otro, y que su columna de escape a menudo está en la dirección opuesta a donde se dirigen, porque están en la parte de desaceleración para llegar allí.

Más interesante aún, su impulso (ficticio) también está resolviendo un problema estándar de los viajes espaciales: cómo lidiar con la falta de gravedad. Nuestros cuerpos no se las arreglan bien con eso, y la ISS tiene una gama de sistemas de ejercicio complicados para eso. Una propuesta común es hacer girar la nave espacial para generar una fuerza centrípeta equivalente a la gravedad. Verás esto en todas esas películas de ciencia ficción con estaciones espaciales con anillos. (Y en lo que se equivocan en su mayoría, por cierto, es que la superficie exterior del anillo es el suelo . A menudo ves ventanas en ellos y gente mirando hacia fuera. No.) El problema aquí es que hacer correcciones de rumbo desde un giro El barco es matemáticamente difícil.

Aunque hay otra opción. La gravedad es solo una fuerza. Si hace funcionar su propulsor continuamente para proporcionar una aceleración de 1G, entonces se sentirá como en casa y la parte trasera de la nave espacial estará "abajo". Todavía no tenemos un propulsor que pueda hacer esto y mantener un consumo de combustible aceptable, pero la parte científica de esto es sólida. Es la existencia de este impulso lo que lo convierte en ciencia ficción. Irónicamente, en lo que The Expanse se equivoca no es en el hecho de tener gravedad, ¡sino en tener cosas flotando como si no hubiera gravedad!

El espacio está mayormente vacío, por lo que no hay nada que detenga o reduzca la velocidad de una nave espacial hasta que encuentre un cuerpo orbital. Es más o menos como lanzar una pelota al vacío. Simplemente no hay razón para que se detenga.

En la trayectoria correcta, una nave espacial podría viajar ("costa") para siempre.

En el espacio solo necesitas combustible para cambiar tu velocidad. Esa es también la razón por la que el "kilometraje" de las naves espaciales se expresa como "delta-v", es decir, el cambio total en la velocidad que se puede lograr con las reservas de combustible restantes. Las naves espaciales solo necesitan combustible para el lanzamiento inicial, las correcciones de rumbo y para reducir la velocidad en el destino.

Aquí se requiere una mayor comprensión de la física involucrada, tanto en la pregunta inicial como en muchas de las respuestas anteriores, que creo que no han abordado adecuadamente el problema. Los objetos en el espacio orbitarán alrededor de la fuente gravitacional cercana más grande (aunque las fuerzas de otros objetos distantes aún juegan un factor). Los planetas y los cometas giran alrededor del sol en órbitas heliocéntricas, mientras que la mayoría de los satélites que giran alrededor de la tierra (incluida la luna y algunos polvos espaciales) están en órbitas geocéntricas.

La mayoría de las órbitas son elípticas hasta cierto punto: las órbitas como la de la Tierra alrededor del sol son en su mayoría circulares, mientras que los cometas suelen ser muy elípticos.

Es más conveniente usar un sistema de coordenadas polares cuando se examinan las órbitas. Se pueden encontrar más detalles aquí , sin embargo, los conceptos básicos son los siguientes:

Centrándonos en un objeto específico como ejemplo (como la estación espacial internacional), dos fuerzas son responsables de la naturaleza curva de la órbita. A saber:

1. Una fuerza normal. Esta es la aceleración de la gravedad y se trata como una línea recta entre el satélite y la tierra. Es esta fuerza la responsable de que la órbita se curve alrededor del cuerpo en su centro.

2. Una fuerza tangencial. Esto es en la dirección del viaje.

En el caso de un satélite lanzado desde la tierra, el cohete inicialmente acelera verticalmente desde la superficie. Sin embargo, poco después del lanzamiento, el cohete se curva hasta que (una vez en el espacio) vuela paralelo a la superficie terrestre. Luego continúa acelerando hasta que la velocidad tangencial es lo suficientemente alta como para evitar que vuelva a caer a tierra. Por lo general, una vez en órbita, los motores se apagan: la órbita se debe únicamente a la conservación del impulso: explicaré por qué esto no es del todo cierto a continuación, pero esto es suficiente por ahora.

Si el cohete sigue acelerando (debido al empuje del motor), la órbita alrededor de la Tierra se volverá más elíptica, hasta que finalmente alcance la velocidad de escape y viaje lo suficientemente rápido como para escapar de la órbita terrestre y volverse heliocéntrica. Una vez en órbita alrededor del sol, los motores se apagan de nuevo: la órbita se debe una vez más a la conservación del impulso.

Tal satélite estaría orbitando alrededor del sol, pero con una órbita que sería muy similar a la de la tierra. Si el satélite/sonda quiere viajar a otro planeta (como Marte), volverá a acelerar (motores) para agrandar la órbita hasta que esté lo suficientemente cerca de Marte para ser influenciado por la gravedad de ese planeta. Para orbitar o aterrizar en Marte, necesita desacelerar (generalmente girando hasta que los motores miren hacia adelante o usando retro-cohetes) hasta que entre en la órbita de Marte. Quizás una mejor explicación (con imágenes) está aquí .

En este punto, esperemos que esto explique los cuerpos celestes más grandes: tanto los planetas como los cometas giran alrededor del sol, aunque estos últimos suelen tener órbitas muy elípticas. La naturaleza 'curva' de ambas órbitas se debe enteramente a la gravedad del sol; ni los planetas ni los cometas necesitan empuje alguno para seguir su camino.

De manera similar, con los cohetes/satélites/el transbordador espacial, no se necesita un empuje adicional del motor para continuar orbitando la tierra: cualquier película que muestre naves espaciales con motor brillando/llamas están ahí puramente para efectos especiales (a menos que la nave esté realmente ajustando su órbita).

Como mencioné anteriormente, esta explicación descuida un factor: la resistencia. Alrededor de la mayoría de los planetas (particularmente de la Tierra), hay una atmósfera que consiste en partículas de gas. En el caso de la tierra, el 'espacio' se define normalmente como unos 100 km sobre la superficie (la línea de Kármán ), sin embargo, la transición de 'atmósfera' a 'espacio' no es una línea fija; Las partículas atmosféricas alrededor de la tierra existen tan altas como el borde de la termosfera, a unos 690 km sobre la superficie. Esto está realmente por encima de la órbita de la luna, y muy por encima de la altura de la mayoría de los satélites en órbita geocéntrica (como la ISS).

La importancia de esto es que a medida que el satélite orbita, choca con estas partículas atmosféricas. Estas colisiones producen arrastre, lo que reduce lentamente la velocidad tangencial y hace que la órbita decaiga lentamente hasta que vuelve a entrar en la atmósfera. Esta es la razón por la que los satélites eventualmente vuelven a caer a la tierra: el primer satélite artificial hecho por el hombre (Sputnik 1) solo permaneció en el espacio durante aproximadamente 3 meses antes de quemarse y volver a ingresar a la atmósfera.

Así que aquí es donde está la advertencia: todos los satélites alrededor de la tierra (por debajo de unos 690 km) experimentan resistencia y tienen órbitas en descomposición. En el caso de la ISS (que orbita aproximadamente a 400 km de distancia), la órbita decae, por lo que la estación necesita periódicamente un "empuje" para permanecer en el espacio. Este empuje solía ser realizado por el transbordador espacial antes de que fuera retirado: después de que el transbordador se acoplaba a la estación para las transferencias de tripulación/suministros, normalmente encendía sus motores para proporcionar este empuje para mantener la ISS en una órbita estable. Luego se separaría y regresaría a la tierra (usando sus propulsores para un retro-quemado).

Parte de los planes recientes para desmantelar la ISS se debieron a que no había un remolcador adecuado para mantenerla en órbita después del retiro del transbordador: uno de mis colegas hizo su doctorado sobre el análisis de cómo se quemaría la ISS al volver a entrar.

Entonces, la única vez que una nave espacial necesita usar sus motores en el espacio es para a) cambiar su órbita/volar a otro planeta, o b) superar la resistencia atmosférica para evitar que la órbita decaiga.

El resto del tiempo, navega con los motores apagados.

Como punto final; el espacio por encima de los 690 km no está completamente vacío: las partículas solares y los fragmentos de polvo están presentes en todo el sistema solar, más allá de la órbita de plutón (ver Heliosfera ). Tanto la Voyager 1 como la 2 han abandonado esta región. Entonces, incluso los cometas experimentarán algo de arrastre (insignificante): incluyo este punto de que el 'espacio' no está completamente vacío para estar completo.

¡Ya hay muchas buenas respuestas aquí! Pero para resumirlo:

Tu nave espacial SÍ sigue moviéndose. Simplemente no se mueve donde quieres que lo haga.

En el espacio, hay muy poco aire o fricción para frenar algo. Entonces, un objeto, ya sea una roca, una nave espacial o un planeta, sigue moviéndose tan rápido como siempre, aunque la gravedad puede arrastrarlo como si hiciera cualquier otra cosa.

Si su nave espacial vuela más allá de la luna y luego se queda sin gasolina, es "ups". La nave espacial seguirá moviéndose. La nave espacial necesitaría combustible para dar la vuelta, disparando sus blásters en la dirección opuesta. (La gravedad podría ser lo suficientemente fuerte como para hacerlo retroceder, pero esa discusión es más detallada de lo que necesitamos aquí).

Hay excepciones: si estuvieras en órbita alrededor de la Tierra, una cantidad muy, muy pequeña de aire allí arriba podría reducir lentamente la velocidad de tu nave. Por lo tanto, tendrán que disparar sus propulsores de vez en cuando para mantener su velocidad (y altitud si conoce la mecánica orbital), pero de hecho no están usando combustible todo el tiempo.

La tierra gira alrededor del sol. Si su nave espacial, lejos de la Tierra, se queda sin combustible, es probable que también orbite alrededor del sol durante eones (o posiblemente escape del sistema solar).

Parecen dos factores principales.

Las naves espaciales hechas por el hombre generalmente viajan en órbitas de muy baja altitud, a menudo donde todavía hay una resistencia atmosférica significativa. Los asteroides están en órbitas mucho más grandes, generalmente alrededor del sol, nunca se acercan demasiado a los planetas y viajan a velocidades mucho más altas. Considere las sondas Voyager.

Además, los asteroides y los comentarios pueden ser mucho más masivos, más densos y tener un coeficiente balístico más alto.