¿Por qué una nave espacial tiene velocidad angular relativa a la Tierra?

Lanzar un cohete al espacio se trata realmente de obtener velocidad horizontal: si vas lo suficientemente rápido hacia los lados, pierdes la Tierra cuando caes hacia ella y permaneces en una caída libre perpetua. Eso es una órbita.

Tiene razón en que una nave espacial se lanza inicialmente en una posición vertical, pero luego gira para ganar velocidad hacia los lados. Y se necesita mucho ya que hay que ir a casi 8 km/s de lado para no volver a caer a la Tierra.

Así es como se ve típicamente una trayectoria de lanzamiento:

La razón para lanzar inicialmente verticalmente es escapar primero de la atmósfera, ya que tener mucha velocidad en su interior causaría una enorme cantidad de resistencia.

Entonces, el objetivo de un lanzamiento:

1. Llegar lo suficientemente alto para escapar de la atmósfera
2. Vaya lo suficientemente rápido hacia los lados para no volver a caer a la Tierra.

Una órbita geoestacionaria no es realmente tan diferente de otras órbitas, las naves espaciales aún se desplazan hacia los lados para evitar retroceder. La velocidad angular a esa altitud resulta ser la misma que la velocidad de rotación de la Tierra, por lo que parece que está estacionaria.

Si un cohete se lanzara solo verticalmente, retrocedería tan pronto como se agote el combustible (lo que sucede muy pronto, incluso el cohete más grande que hemos usado tuvo sus motores principales encendidos durante menos de 20 minutos, y más del 90% de un el peso del cohete es el combustible).

Les damos velocidad angular para que puedan permanecer en el aire mucho más tiempo, orbitando la Tierra tal como lo hace la Luna, sin requerir un empuje constante.

Existe una idea errónea común de que las naves espaciales y los satélites permanecen en órbita "escapando de la gravedad", pero no es así. En una órbita terrestre baja, la fuerza de la gravedad es un poco menor, pero sigue siendo alrededor del 90% de la que hay en la superficie de la tierra.

La razón de la aparente falta de gravedad es que la nave y todo lo que hay dentro están en caída libre. Puedes lograr lo mismo más cerca de la tierra subiendo a un avión que sigue una trayectoria parabólica .

Entonces, si un satélite cae constantemente, ¿por qué no vuelve a caer a la tierra? La razón es simple pero no muy intuitiva. Para permanecer en órbita, la nave necesita una velocidad tangencial relativa a la Tierra y, dado que la Tierra es (aproximadamente) esférica, esta velocidad tangencial tiende a alejarla de la superficie terrestre. En una órbita estable, el movimiento de alejamiento es exactamente el mismo que el movimiento de descenso debido a la gravedad. Debido a que prácticamente no hay arrastre en el espacio, se requiere poca o ninguna energía para mantener esta velocidad tangencial, ya que no hay un cambio general en el impulso. La suma de la velocidad tangencial y la caída libre hacia la tierra es una órbita circular (o más generalmente elíptica).

Además, la velocidad angular asociada con una órbita estable es proporcional a la altitud de la órbita, por lo que una órbita geoestacionaria corresponde a una altitud particular y al cambiar la velocidad cambia la altitud.

Si te ayuda a entender esto, puedes pensar en la analogía de una pelota de tenis sobre un elástico. Aquí el elástico es equivalente a la gravedad, si simplemente estiras el elástico (es decir, el empuje de un cohete) y lo sueltas, la pelota 'caerá' hacia tu mano. Sin embargo, si haces girar la pelota lo suficientemente rápido, la velocidad angular de la pelota alcanza el equilibrio con el estiramiento del elástico y cuanto más rápido la giras, más tensión (y estiramiento) obtienes en el elástico. Por supuesto, hay bastante fricción en este sistema, por lo que debe seguir inyectando energía para mantener el equilibrio, pero en el espacio estas pérdidas por fricción prácticamente desaparecen.

Sin embargo, donde se necesita mucha energía es para acelerar el cohete a la velocidad orbital en primer lugar y esto requiere mucha más energía que alcanzar la altura orbital. De hecho, puede recorrer la mayor parte del camino hacia el espacio con muy poca energía usando un globo, pero en este punto todavía no está en órbita.