Probablemente haya visto este tipo de escena de ciencia ficción más de una vez: un capitán de nave espacial incondicional y su tripulación huyen de alienígenas/escapan de una supernova/se quedan sin combustible y aparentemente no tienen opciones, a punto de comer/vaporizar/atascarse. Pero entonces, justo delante, ¡detectan un planeta! Así que se dirigen a la derecha, los cohetes ardiendo, luego se sumergen y usan su gravedad para el tirachinas a un lugar seguro. ¡Hurra! Cue la música triunfante.
Entonces va a la pantalla plateada, al menos. ¿Pero esta maniobra funciona en la vida real?
¡Sí! Bueno, no tanto como se hace en las películas, pero es algo real. Aunque es ampliamente conocido como un tirachinas gravitacional La mayoría de los científicos se refieren a él como una asistencia gravitacionaly es una herramienta esencial para la mayoría de las misiones interplanetarias.
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La idea parece bastante simple. A medida que una nave espacial se acerca a un objeto masivo, digamos, un planeta, la gravedad del planeta dobla su trayectoria, cambiando la dirección de la nave espacial. Pero hay más que eso: la nave espacial puede usar la gravedad del planeta para acelerar o Reduzca la velocidad después de esta maniobra, permitiendo viajes más fáciles a los planetas exteriores o internos, respectivamente.
Si bien la parte de flexión de trayectoria parece bastante obvia, esa parte acelerada o baja es bastante contradictoria. Está relacionado con la simetría de la gravedad.
Si sostiene una pelota de goma a cierta distancia del suelo y la deja caer, la pelota se acelerará a medida que caiga, acelerando hasta el impacto. Luego rebota, moviéndose hacia arriba y desacelerando mientras lo hace. Eventualmente se detendrá, con lo cual puede atraparlo o dejarlo caer nuevamente. Pero de cualquier manera no puede rebotar más alto que la altura desde la que lo dejaste caer. Ganó energía cinética, la energía del movimiento, a medida que cayó, pero luego la perdió una vez más después de la disminución, ya que se desaceleró en su camino de regreso. Esta acción es simétrica, por lo que en el mejor de los casos (si tuvieras una pelota perfectamente elástica e hiciste este experimento en el vacío), rebotaría a la misma altura desde la que la dejaste caer.
Lo mismo es cierto para una nave espacial que se acerca a un planeta. La gravedad del mundo te acelerará a medida que te caigas, te lanzarás al enfoque más cercano (esa es la parte de “tirachinas”), y luego perderás esa velocidad adicional a medida que te alejas porque la gravedad del planeta todavía te está tirando. A medida que ese agarre gravitacional se escape, la nave espacial se moverá en relación con el planeta a la misma velocidad a la que se acercó inicialmente.
Entonces, si se pierde toda la velocidad de bonificación al salir, ¿cómo se puede usar esta maniobra para acelerar una nave espacial? La clave está en la frase “relativa al planeta”. Si te acercas al planeta en, digamos, 20 kilómetros por segundo (km/s), te irás con la misma velocidad. Pero esa es tu velocidad medida contra el planeta.
Al mismo tiempo, de manera crucial, el planeta también está orbitando el sol. Si te acercas al planeta desde atrás (es decir, en la dirección de su movimiento), entonces, como la gravedad del planeta te da un impulso, también, en un sentido heliocéntrico, te lleva, agregando parte de su velocidad orbital a la tuya. Eso te da una patada en relación con el sol, acelerándote en tu camino a tu destino. En esencia, la nave espacial obtiene una ganancia neta en la velocidad al robar un poco de la energía cinética orbital del planeta.
A su vez, esto significa que el planeta en realidad ralentiza un poco en su órbita alrededor del sol, ¡lo que suena peligroso! Pero no temas: el planeta se ralentiza en proporción a cuánto más masivo es que la nave espacial. Dada una sonda típica de una tonelada en comparación con un mundo multisexión de mil millones de toneladas, el planeta no es notablemente lento en absoluto. Puede lanzar un millón de sondas y nunca poder notar la diferencia en su velocidad orbital. Una bacteria que rebotó mientras estás caminando tendría un efecto mucho mayor en ti.
La razón por la que vale la pena tener problemas con las asistencias gravitacionales es que los cohetes lanzan la nave espacial, que solo puede acelerar a una velocidad máxima. Para nuestros cohetes actuales, estas velocidades son tan bajas y las distancias interplanetarias son tan grandes que incluso los viajes más rápidos y directos llevan años (o incluso décadas para destinos en el sistema solar externo). Puede cargar la nave espacial con más combustible para quemar para ir más rápido, pero también hay un límite para eso. El combustible tiene masa, y necesitaría acelerar esa masa adicional, lo que requiere más combustible, lo que tiene más masa. Esta captura-22 se describe por lo que se llama la ecuación de cohetey significa que la cantidad de combustible que debe agregar para moverse incluso un poco más rápido alcanza escamas prohibitivas muy rápidamente.
Por lo tanto, el tiempo de afeitado fuera de su viaje requiere algún otro método, ¡como la velocidad de desvío de un planeta grande y jugoso en el camino! Por ejemplo, la sonda de cassini hacia Saturnoque se lanzó en 1997, era una gran nave espacial, del tamaño de un autobús escolar, y tenía una masa de 2.5 toneladas métricas sin combustible. (La adición del combustible que necesitaba para cumplir su misión en Saturno, junto con el vehículo de lanzamiento y otros equipos, inclinó la balanza a 5.7 toneladas métricas). Hubiera tomado prácticamente para siempre llegar a Saturno con los cohetes que tuvimos entonces. Entonces, los planificadores de la misión aprovecharon a Júpiter, enviando la nave espacial más allá de ella en una maniobra de tirachinas que aumentó la velocidad que se afeitó el tiempo significativo del viaje. De hecho, solo para salir a Júpiter en primer lugar, Cassini también realizó dos flybys de Venus y una de la Tierra que ahorra combustible, robando energía orbital planetaria cada vez.
Una asistencia gravitacional también funciona para otro lado. La tierra orbita el sol a más de 30 km/s, por lo que disparar una sonda al sol o los planetas internos es extremadamente difícil debido a toda esa velocidad lateral. En cambio, los planificadores de la misión prefieren una ruta más tortuosa. Lanzan la nave espacial con suficiente velocidad en la dirección opuesta del camino de la Tierra alrededor del sol para caer frente a, digamos, Venus, donde luego puede donar parte de su energía orbital al planeta para caer aún más hacia el sol. Bepicolombouna agencia espacial conjunta y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón Misión a Mercurio, hizo exactamente esto, pasando la Tierra una vez y Venus dos veces para llegar a las vecindad de Mercurio. Incluso entonces, tenía que hacer un total de seis La gravedad ayuda a Mercury a igualar la velocidad orbital del planeta alrededor del sol. La última asistencia fue en enero de 2025, y ingresará a Mercury Orbit en noviembre de 2026.
Las asistencias gravitacionales son un ejemplo emblemático de por qué el viaje espacial es duro-él es Exactamente ciencia espacial, después de todo. La gravedad es el mayor culpable; En primer lugar, solo alejarme de la Tierra es la parte más grande del problema. Es irónico, entonces, que la gravedad pueda hacer que alcanzar la mayor parte del resto del sistema solar sea mucho más fácil.