Por que la Luna no se cae?

Esta sencilla pregunta nos abre el panorama para explicar un poco los movimientos en el espacio por efecto de la gravedad. (y un par de cositas mas!).

LOS MOVIMIENTOS ORBITALES 

Los movimientos planetarios están dominados mayormente por la gravedad del Sol, aunque los planetas mismos contribuyen a modificar levemente a aquellos. La ley de gravitación de Newton es suficiente para calcular la mayoría de las posiciones planetarias.

¿Qué es una orbita?

La definición más elemental dice que es el camino que sigue un astro en el cielo: una galaxia, un planeta, una estrella, etc. Sucede que normalmente se interpreta como órbita la órbita de los planetas y como estamos en el Sistema Solar vamos a hablar de los planetas pero tegamos en cuenta que órbita se refiere a cualquier astro.

Vamos a ver un ejemplo muy sencillo:

Imaginemos a la Tierra con una montaña enorme, cuya cima es tan alta que esta fuera de la atmósfera. En el pico tengo un cañón. 

Con este cañón yo puedo disparar balas a cualquier velocidad: puedo disparar desde un centímetro por segundo hasta casi la velocidad de la luz. Voy a tirar primero una bala despacio: hará el movimiento 1, y la bala cae sobre la Tierra. Si yo la tiro más rápido, hará el movimiento 2, y volverá a caer.

Pero si la tiro más fuerte, lo suficientemente rápido, hará el movimiento 3, dará toda la vuelta y me caerá desde atras.

En este momento, la bala está en órbita. Pero ¿Por qué no se cae? O mejor dicho ¿no se cae? 

La respuesta es que Sí, se está cayendo, pero con la misma forma de la Tierra y, por lo tanto, el piso se le escapa siempre y no llega hasta el. En vez de caerse en forma vertical, se cae con la misma forma de la Tierra y no llega al piso. Si la Tierra fuera cúbica esto no podría suceder porque en algún momento chocaría con algo. Pero como la Tierra es esférica, el objeto va siguiendo la misma curva y no llega nunca al piso. Pero SI se está cayendo! Se cae "de costado". 

Aunque la fuerza centrifuga en una fuerza ficticia, en este ejemplo ayuda a entender mas claramente  porque  un astro esta en orbita.

Si es tan simple, porque es tan complicado poner un satelite en orbita?

El problema es que requieren velocidad; tienen que ir muy rápido. Como ejemplo, para obtener una órbita baja circular alrededor de la Tierra el objeto tiene que ir a 8 kilómetros por segundo, que es una velocidad importante. (unos 28 mil kilómetros por hora). Ademas hay que hacerlo fuera de la atmosfera, porque a esa velocidad se quemarian.

De hecho solo se pueden poner satelites a mas de 150 km. de altura (y caen en unos dias, por el frenado que le produce la atmosfera). Recien a varios cientos de kilometros un satelite esta en una orbita que es estable meses. La Estacion Espacial Internacional, a unos 500 kilometros, se esta cayendo tal como los muestra el grafico, y si lo se la acelerara de vez en cuando,  un poco cada tanto terminaria cayendo.

Al principio del grafico, la ISS (Estacion Espacial) esta a 346 km. de altura. al pasar el tiempo, en noviembre de 2009, cayo a unos 340 km, y se la acelero para dejarla a 342 km. En general las lineas inclinadas es la caida del a ISS por frenado atmosferica y las lineas verticales corresponden a la aceleracion para subirla. Son datos reales. (www.heavens-above.com) 

En la Luna (sin atmosfera) este efecto no sucede (pero si otros cuerpos!) que hacen que pueda estar en orbita aun muy bajo, a pocos kilometros. Por ello las Apollo que fueron a nuestro satelite en la decada de 60-70 no tenian que ser aerodinamicas.

Y ¿cuánto tarda el objeto en dar una vuelta alrededor de la Tierra? 

En una orbita baja (menos de 500 kilometros), aproximadamente una hora y media. En 90 minutos da una vuelta alrededor de la Tierra. Cuanto más lejos, el objeto puede ir más despacio porque la fuerza de la Tierra es menor y, por lo tanto, no necesita ir tan rápido para no caerse. Los satelites geoestacionarios, estan a 36 mil kilometros de altura, y van lo suficientemente despacio para  rodean a la Tierra en 24 horas, permaneciendo siempre sobre el mismo punto.

En realidad, se trata de un doble juego de fuerzas: si no quiero que el objeto se caiga tiene que ir a una determinada velocidad. Si el objeto va a menor velocidad, se cae; si va a la velocidad necesaria se mantiene y si va a mayor velocidad de la requerida se alejará.

Las órbitas pueden adoptar diferentes formas. Estas son: Circular, elíptica, parabólica e Hiperbólica:

Cuando la velocidad alcanza los 11 kilómetros por segundo (en la Tierra), el objeto realiza la Orbita parabólica. Los astronautas para ir a la Luna debieron adoptar una orbita parabolica, hasta quedar atrapados por la gravedad lunar.

Al realizar este movimiento, el objeto no vuelve más. Esto se denomina parábola u órbita parabólica. A mayor velocidad se denomina Orbita hiperbólica. 

Si el objeto va por debajo de la velocidad parabólica es una elipse. Las órbitas adoptan formas que se denominan cónicas. Esto es porque son cortes de un cono. 

A veces una pregunta simple da pie a un monton de temas!!