¿Un astronauta experimentaría una fuerza durante una maniobra de asistencia por gravedad?

Si la única aceleración se debe a la gravedad de la gran masa, y la masa no es excepcionalmente grande o excepcionalmente cercana (es decir, acercamiento cercano a un agujero negro o una estrella de neutrones), el astronauta no experimentará ninguna aceleración notable en relación con la nave espacial. La gravedad afecta a la nave espacial y al astronauta de manera casi idéntica, y la aceleración de uno coincide con la aceleración del otro. Esto es idéntico a la situación de una nave espacial en una órbita cerrada alrededor de un planeta, que también está acelerando continuamente hacia el centro del planeta.

El efecto de la gravedad disminuye con la distancia a una gran masa, por lo que siempre hay un gradiente gravitacional a lo largo de una nave espacial. Si el gradiente de gravedad es lo suficientemente pronunciado, o la nave espacial es muy espaciosa, un astronauta que se aleje del centro de masa de la nave espacial se encontrará en una trayectoria orbital divergente, que tenderá a empujarlo aún más lejos del centro de masa. Esto se llama fuerza de marea . El efecto es demasiado pequeño para ser perceptible en cualquier caso razonable: un sobrevuelo peligrosamente cercano de Júpiter, digamos 10 km por encima de las nubes, experimentaría un gradiente gravitacional de menos de una diezmillonésima parte de una fuerza g por metro de diferencia de altitud. Incluso en una nave espacial de un kilómetro de largo, un humano no notaría una fuerza de marea de un extremo al otro.

Debido a que la fuerza de la gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia desde el centro de masa, el gradiente gravitatorio se hace más pronunciado a medida que te acercas a la masa; para grandes masas exóticas como estrellas de neutrones o agujeros negros, es posible acercarse mucho más a la masa. En teoría, puede acercarse lo suficiente para que los efectos de las mareas sean perceptibles para los humanos; en la práctica probablemente no quieras acercarte tanto. Spoiler de una conocida historia de ciencia ficción de 1966:

La historia de 1966 de Larry Niven, "Estrella de neutrones", considera el efecto de la fuerza de marea gravitacional en una nave espacial larga, delgada e indestructible que se acerca a una estrella de neutrones, en un escenario donde los pilotos de naves estelares de alguna manera se han olvidado de la existencia de la fuerza de marea.

El empuje del cohete y la resistencia atmosférica, a diferencia de la gravedad, actúan directamente sobre la estructura de la nave espacial, alterando su trayectoria en relación con la del astronauta, lo que hace que el astronauta sea aplastado hacia un lado de la nave espacial, con suerte el lado acolchado. Tenga en cuenta que, debido al efecto Oberth , un acercamiento cercano a un planeta también puede ser un buen momento para usar el empuje del cohete para efectuar cambios de trayectoria, por lo que el empuje activo se puede combinar con la asistencia de la gravedad.

El astronauta se verá acelerado por la atracción gravitacional del cuerpo por el que pasan, pero no lo "sentirán" en un sentido cualitativo como lo hacen durante el encendido de un motor. Esto se debe a que la asistencia de gravedad aplica una fuerza a toda la nave espacial y todo lo que hay dentro de manera uniforme: la gravedad tira de cada parte de ti, desde la cabeza hasta los dedos de los pies. Un motor encendido, por el contrario, solo acelera directamente la nave en sí, que luego transmite una fuerza al astronauta a través del asiento en el que están amarrados. Un astronauta puede realizar una asistencia de gravedad mientras flota dentro de su nave espacial y nunca tocar las paredes, pero un astronauta no puede permanecer flotando dentro de una nave espacial que está disparando sus propulsores.

Este es el resultado del hecho de que los humanos "sienten" la aceleración adecuada en lugar de la aceleración coordinada , que es relativa al campo gravitacional local. Si usted y todos los puntos de referencia que puede ver están acelerando de la misma manera bajo la fuerza de la gravedad, no parecerá que nada esté acelerando en absoluto. Esta es la razón por la que los astronautas en la ISS "sienten" que están en gravedad cero, a pesar de que la gravedad sigue siendo un 90% tan fuerte como en la superficie del planeta. Realizar un sobrevuelo/asistencia por gravedad será exactamente lo mismo: tú y la nave espacial simplemente estáis en caída libre todo el tiempo, como ya lo está la ISS.

Esto supone que el campo gravitacional local es, de hecho, razonablemente uniforme sobre la escala de la nave, y acelera a la nave y al astronauta exactamente de la misma manera. Esta suele ser una muy buena aproximación, pero puede comenzar a fallar con un sobrevuelo muy cercano o un cuerpo muy masivo. Un sobrevuelo cercano de un agujero negro, por ejemplo, podría resultar en fuerzas de marea significativas, que estirarían al astronauta a medida que sus pies se vieran más atraídos que su cabeza.