Ahora imagina que vuelas a Marte. Fijar una velocidad precisa es fundamental para no perderse el encuentro con el planeta en su órbita solar. Pero no hay árboles, ni aire, ni siquiera una señal GPS que te ayude. Entonces, ¿cómo saber a qué velocidad viajas? Bueno, hay que usar algo de física.
Velocidad frente a rapidez
La velocidad es la distancia que recorres en un tiempo determinado, por ejemplo, 80 kilómetros por hora. Para un avión que utiliza coordenadas GPS, es fácil de calcular: Basta con tomar la distancia entre dos lugares y dividirla por el tiempo que se tardó en llegar del punto A al punto B.
Pero eso solo funciona si vas en línea recta. No funciona en absoluto para una abeja, cuya trayectoria se parece más a la de un marinero borracho. En la imagen de abajo se ve que recorre mucha más distancia de la necesaria para ir de un sitio a otro.
Por eso, en lugar de rapidez, en física utilizamos el concepto de velocidad, que significa rapidez en una dirección determinada. Aunque la abeja vuele a velocidad constante, su velocidad cambia constantemente.
Para trazar la trayectoria de la abeja, he dibujado un plano de coordenadas xy en la escena anterior. (Alguien mira su reloj y registra la hora 1:00:05 (cinco segundos después de la 1 en punto); en ese momento la abeja se encuentra en una posición definida por el vector r1. A la 1:00:15, su vector de posición es r2.
Todavía podemos tomar el cambio en la posición del vector (Δr), o desplazamiento, y dividirlo por el cambio en el tiempo (Δt = 10 segundos). Pero lo que obtenemos es la velocidad media, que puede no coincidir con el movimiento real de la abeja en cualquier punto de su recorrido.
Para acercarnos más a las velocidades reales, tendríamos que utilizar intervalos de tiempo mucho más pequeños. De hecho, si hacemos Δt lo suficientemente pequeño, esa trayectoria curva puede aproximarse mediante una serie de pequeños segmentos de línea, lo que nos da una velocidad bastante precisa en cualquier instante.
una bicicleta con un pequeño velocímetro acoplado a la rueda que indica que vas a 6 km/h. Pero no vas por la carretera. Pero no vas por la carretera, sino en la cubierta de un crucero que se mueve a 16 km/h. Entonces, ¿a qué velocidad vas?Bueno, no hay una única respuesta correcta; depende de tu marco de referencia. Con respecto al barco, vas a 6 km/h. Pero con respecto al agua, tu velocidad depende de tu dirección. Si tanto el barco como la moto se dirigen hacia el oeste, irás a 14 mph. Si das la vuelta a la moto y te diriges hacia el este, irás a 10 km/h. Es más, como vería un observador en la orilla, en este último caso estarías pedaleando hacia delante y moviéndote hacia atrás a esa velocidad.
A menudo, el marco de referencia es obvio, como la superficie de la Tierra. Pero en el espacio, no siempre está tan claro. Para naves espaciales como la Orion en su reciente viaje alrededor de la Luna, hay dos marcos de referencia obvios. El primero es la Tierra. Podemos medir la velocidad a medida que se acerca o se aleja de nosotros. Esto suele tener sentido porque es allí donde comenzó el vuelo y donde se encuentra el control de la misión.
Pero para la misión Artemis IV de la NASA, que tiene previsto aterrizar en la superficie lunar en 2028, sería absurdo utilizar la Tierra como marco de referencia. Se podría tener una velocidad terrestre positiva pero estar inmóvil con respecto a la Luna, lo que no sería muy útil en las maniobras de aterrizaje. En su lugar, el módulo de aterrizaje utilizaría la Luna como marco de referencia. O si quisieras viajar alrededor del sistema solar, tendría sentido utilizar el sol como referencia.
El efecto Doppler también se produce con las ondas electromagnéticas, como la luz visible. Si un objeto luminoso en el espacio se desplaza hacia nosotros, los frentes de onda se comprimen, y este cambio de frecuencia altera el color de la luz que percibimos, desplazándola hacia el extremo azul del espectro. Es lo que se denomina desplazamiento hacia el azul. Si el objeto se aleja, se produce un desplazamiento al rojo.
Las ondas de radio son otro tipo de ondas electromagnéticas, y tienen una cierta ventaja: No les afecta atravesar la atmósfera. Si enviamos un haz de radio al espacio y se refleja en una nave espacial en movimiento, podemos medir la frecuencia de la señal que rebota y compararla con la original.
la nave espacial se moviera de izquierda a derecha, perpendicular a nuestra línea de visión, no habría desplazamiento Doppler. Pero eso no es un gran problema: siempre podemos utilizar más de una fuente de radio para rastrear una nave espacial. No puede moverse perpendicular a todos los observadores al mismo tiempo.La otra limitación es que requiere visibilidad en la línea de visión. Así, cuando la nave Orión pasó por detrás de la Luna el 6 de abril, era invisible para el control en tierra y por sí sola. La necesidad de un observador externo también sería un impedimento para los contrabandistas galácticos como Han Solo en Star Wars.
una nave espacial pueda deducir su propia velocidad. Un método es la medición inercial. Básicamente funciona midiendo la aceleración, que es un cambio en la velocidad. Siempre que se conozca la velocidad inicial, se pueden sumar todos los cambios para determinar la velocidad actual.Para hacerte una idea, imagina que estás sentado en un auto con los ojos vendados. Cuando el vehículo despega, te empuja hacia tu asiento. Cuanto mayor sea la aceleración, más presión sentirás: es tu sistema de medición. Una vez que el auto alcanza una velocidad constante, puedes utilizar la magnitud y la duración de la aceleración para determinar el cambio de velocidad, y como empezaste a 0 mph, el cambio de velocidad es tu velocidad después de una aceleración.
Por supuesto, este método es bastante aproximado: lo mejor que puedes deducir es que vas lento, medio o rápido. Pero, ¿por qué no medir la velocidad directamente? Porque no puedes sentir la velocidad. Si no ves los árboles, la sensación de ir a una velocidad constante de 160 km/h es la misma que ir a 40 km/h. Lección: nunca conduzcas con los ojos vendados.
Lo mismo ocurre si utilizas instrumentos reales. Las naves espaciales tienen giroscopios y acelerómetros que miden correctamente la orientación y la aceleración. Pero no pueden medir la velocidad porque cuando es constante, no hay fuerza neta que los instrumentos puedan "sentir". Es la segunda ley de Newton.
¿Qué tal un ejemplo sencillo? Recuerde, la aceleración es la tasa de cambio de velocidad, por lo que a =Δv/Δt. Reordenando, obtenemos:
Volvamos a utilizar nuestro auto, pero esta vez obtendremos cifras reales del acelerómetro de nuestro smartphone. Supongamos que partimos de un semáforo en rojo y aceleramos a 2 m/s2 (metros por segundo al cuadrado) durante cinco segundos. Según la ecuación anterior, Δv1 sería 2 x 5 = 10 m/s, así que esa es nuestra velocidad. Ahora, después de ir a velocidad de crucero durante un rato, aceleramos de nuevo a 1 m/s2 durante cinco segundos más. Δv2 es entonces 1 x 5 = 5 m/s. Sumando estos dos cambios, nuestra velocidad es ahora de 15 m/s. Y así sucesivamente.
El único problema es que la medición inercial no es tan precisa como el método Doppler durante largos periodos de tiempo, ya que los pequeños errores se van acumulando. Eso significa que tienes que recalibrar tu sistema periódicamente utilizando algún otro método.
cómo gira la Tierra, y eso no ayuda en una nave espacial. Bueno, ¿podemos usar las estrellas como si fueran árboles? No. Las estrellas están tan lejos, que los astronautas necesitarían viajar durante muchas, muchas generaciones para detectar cualquier cambio en su posición. Al igual que el avión que vuela sobre el mar, parecería estar inmóvil, incluso mientras viaja a 25.000 mph.Pero aún podemos utilizar la idea básica. Para la navegación óptica en el espacio, una nave espacial puede localizar otros objetos en el sistema solar. Conociendo la ubicación exacta de estos objetos, que cambian con el tiempo, y dónde aparecen en relación con el observador, es posible triangular una posición. Y, de nuevo, tomando múltiples medidas de posición a lo largo del tiempo, se puede calcular una velocidad.
Al final, aunque las naves espaciales carecen de velocímetro, es posible seguir su velocidad indirectamente con un poco de física. Pero es solo otro ejemplo de que volar en el espacio es totalmente diferente, y mucho más complicado, que conducir o volar en la Tierra.
Artículo originalmente publicado enWIRED.Adaptado por Alondra Flores.