Gravedad cero, ingravidez y microgravedad

La fuerza de la gravedad es el resultado de la propia naturaleza de la materia. Cualquier objeto con masa genera un campo gravitatorio que se manifiesta como una fuerza de atracción  sobre otros objetos. Como sabes, la intensidad de este campo es mayor cuanto más grande sea la masa del objeto, pero menor cuánto más lejos nos situemos de dicho objeto.

Comparación de las 4 fuerzas fundamentales del Universo. La gravedad es, con diferencia, la más débil de las cuatro, aunque se debilita muy lentamente con la distancia

La gravedad es en realidad una fuerza muy débil en comparación con las otras fuerzas fundamentales del Universo, tanto, que hace muy difícil su estudio a nivel subatómico; pero la cantidad de masa que se acumula en los cuerpos celestes es tan grande, que su intensidad alcanza valores considerables, hasta el punto de condicionar totalmente el comportamiento de procesos geológicos y biológicos.

Por eso, siempre ha atraído la idea de suprimir la fuerza de la gravedad de nuestro planeta y estudiar cómo se comportan los fenómenos físicos y procesos biológicos  en dichas condiciones. El empeño es, sin embargo, inútil. La gravedad no puede anularse porque es consecuencia de la propia naturaleza de la materia (y del espacio), así que si definimos la ingravidez o gravedad cero como la ausencia de fuerza gravitatoria, la única forma de lograrla sería alcanzar un punto del universo infinitamente alejado de cualquier objeto material.

Ahora bien, una cosa es suprimir la gravedad (misión imposible, en sentido literal) y otra suprimir sus efectos, es decir, lograr condiciones o sistemas de referencia que se comporten sin los efectos gravitatorios, es decir, como si la fuerza de gravedad no existiese.

Afortunadamente, este segundo objetivo sí es posible, de forma que cuando hablamos de ingravidez  o gravedad cero debemos entenderlo, en todo caso,  en este sentido.

Concepto de microgravedad

En la práctica, sin embargo, la ingravidez (en el sentido limitado de “supresión de los efectos físicos de los campos gravitatorios”) no es posible en sentido estricto para un objeto material y los científicos han decidido precisar los términos. Cualquier objeto que posea masa genera un campo gravitatorio así que un objeto o ser vivo estudiado dentro de una cápsula en mitad del espacio estaría afectado por la pequeña fuerza gravitatoria provocada por la masa de la cápsula y los objetos que contenga.
Por tanto, y para hablar con propiedad, la gravedad cero, aunque es válida como concepto, no puede tener lugar durante el estudio de un objeto material. Por ello, los científicos, han acuñado el término de microgravedad para referirse a aquellas condiciones en las que un objeto sólo está sometido a los efectos de las débiles fuerzas gravitatorias de su propia materia o la de su contenedor. En cierto modo, se trata de una diferenciación de interés más teórico que práctico ya que la intensidad del campo microgravitatorio es tan insignificante que puede ser despreciado en la mayor parte de estudios.
No obstante, para ser rigurosos y reconocer este hecho, es preferible hablar de condiciones de microgravedad en lugar de condiciones de ingravidez o gravedad cero.

Cómo conseguir condiciones de microgravedad

Existen varias estrategias para conseguir condiciones de microgravedad:
Movimientos de caída libre
Cuando una fuerza actúa sobre una masa ya sabes que provoca sobre esta un cambio progresivo de su velocidad o dirección al que llamamos aceleración. La fuerza de la gravedad provoca en los objetos sobre los que actúa una aceleración de aproximadamente 9,8 m/s2. Esto que quiere decir que por cada segundo que un objeto está desplazándose bajo los fectos exclusivos de la fuerza gravitatoria terrestre, su velocidad aumenta 9,8 m/s.
Los efectos habituales de la gravedad se notan debido a la resistencia que ofrecen los objetos o los seres vivos a cambiar de posición como consecuencia de la gravedad. Notamos el peso de nuestro cuerpo sobre nuestros pies debido a la resistencia que el suelo ofrece a la fuerza de gravedad que “tira” de nuestro cuerpo hacia el centro del planeta. Es la resistencia a este movimiento lo que percibimos como gravedad.
Pero si un objeto se desplaza libremente gobernado sólo por la aceleración que produce la gravedad, entonces los efectos gravitatorios dejan de notarse. Así pues, la forma más sencilla de neutralizar los efectos de la gravedad es “dejarse lleva por ella” en un movimiento de caída libre. Esto no hace que desaparezca la fuerza gravitatoria como tal, pero sí anula sus efectos.

Existen varios modos de lograr trayectorias de caída libre controlada.

Torre de caída libre de Isla Mágica (Sevilla).

El ejemplo más simple es el de las torres de caída libre, como las que hay en algunos parques de atracciones. De hecho, a veces se han realizado experiencias científicas de este tipo en ellas. El problema es que la duración de la caída es muy breve, insuficiente para estudiar la mayor parte de procesos biológicos y bastentes procesos químicos.
La segunda opción es utilizar vuelos de caída libre realizados por aviones especiales. Determinadas versiones con cabinas modificadas de aviones comerciales puede realizar trayectorias de vuelo parabólico en cuya porción superior se pueden generar condiciones de microgravedad.

Condiciones de gravedad durante un vuelo parabólico. Zonas de gravedad normal, hipergravedad y microgravedad

Generalmente, en el mismo vuelo se realizan varios ciclos de subida y bajada, en cada uno de los cuales se logran breves periodos de alrededor de medio minuto en los que se cuenta con condiciones de microgravedad.

Este tipo de vuelos son habituales en el entrenamiento de astronautas y para realizar algunos experimentos científicos en el  interior de estos aviones.  Últimamente también se han puesto de moda vuelos de “gravedad cero” con fines turísticos. Pero los tiempos siguen siendo cortos para muchos tipos de experimentos y el gasto, como es lógico,  mucho mayor. Si quieres saber más sobre vuelos de gravedad cero te recomiendo este interesante artículo.
Si queremos un movimiento de caída libre prolongado, tendremos que recurrir a cápsulas o estaciones  orbitales que giran alrededor del planeta de forma estable. Probablemente estés pensando que se trata de que la estación espacial gire y no de que caiga hacia el suelo, pero observa que, en realidad, no es necesario que un objeto se mueva perpendicularmente hacia la superficie del planeta para que se produzcan condiciones de microgravedad. Todo dependerá del movimiento inicial del objeto en el  momento de que sólo actúe la gravedad.

Estación Espacial Internacional. A bordo de la mayor estación espacial, se realizan diversos experimentos para estudiar como las condiciones de microgravedad afectan a diversos tipos de procesos físicos, químicos y biológicos.

Fíjate en que la trayectoria que sigue un satélite alrededor del planeta es curva, manteniéndose siempre a la misma distancia de la superficie de la Tierra. Podríamos decir que la estación orbital está “cayendo” permanentemente, pero su velocidad precisa y la curvatura de la Tierra le impiden estrellarse contra el suelo.

Hay quienes creen que en la estación espacial hay condiciones de ingravidez  debido a la distancia a la que está del planeta. En realidad a 400 kilómetros de altura, que es la altura media de la estación espacial, la gravedad sigue siendo muy intensa, aproximadamente un 90% de la que hay en la superficie del planeta. En realidad, las condiciones de microgravedad que tienen lugar dentro de las ISS no se deben a su distancia a la Tierra sino a su movimiento orbital alrededor de la misma.
En la ISS pueden realizarse experimentos de microgravedad prolongados, aunque eso sí, con un coste. No en vano, la estación espacial internacional es el proyecto tecnológico internacional más caro de la Historia.
Magnetismo y gravedad
Todos tenemos experiencia de cómo la fuerza de un imán actúa sobre determinados materiales, pero no sobre otros. Sin embargo, si un campo magnético es suficientemente intenso puede ejercer fuerzas  sobre materiales o sustancias que habitualmente no muestran propiedades magnéticas. A estos fenómenos se les llama paramagnéticos.
El agua, debido a la débil polarización de sus moléculas, tiene propiedades paramagnéticas, es decir, bajo la acción de campos magnéticos muy intensos adquiere propiedades magnéticas y es influida por campos de este tipo.
Por tanto, es posible ejercer una fuerza magnética sobre una pequeña masa de agua que se contraponga a la fuerza gravitatoria (de igual intensidad y dirección, pero sentido contrario). Puesto que los seres vivos estamos constituidos en un 70% por agua, esta técnica también abre la posibilidad de obtener condiciones de microgravedad estables para organismos vivos. La dificultad estriba en que las distancias en las que es posible mantener un campo magnético tan intenso son muy pequeñas, por lo que estos dispositivo sólo son útiles en volúmenes muy pequeños de apenas unos centímetros cúbicos, válidos sólo para organismos muy pequeños y en condiciones muy especiales.

Observa que en este caso  tampoco se elimina la fuerza de gravedad, sólo se añade otra (la magnética) de forma que la fuerza total resultante sea cero.
Clinostatos
Existe una alternativa a todas estas técnicas que permiten simular las condiciones de microgravedad de una forma más simple y barata, (especialmente en sus versiones más sencillas). Se trata de unos disposititivos electromecánicos llamados clinostatos que proporcionan un movimiento continuo que hace variar la orientación de un objeto con respecto al vector gravitatorio.

Clinostato de triple eje (3D) que consigue maximizar la variación aletatoria del vector gravitatorio.

Existen varios tipos de clinostatos que responden a diferentes finalidades y que se diferencian fundamentalmente en el número de ejes de rotación que emplean. El diseño básico (1D) se corresponde con un motor que proporciona una rotación continua y lenta a una muestra o conjunto de muestras. El eje de rotación es perpendicular al vector gravitatorio, de manera que, tomando como sistema de referencia la propia muestra, se va producir una variación continua de la dirección de la fuerza gravitatoria en todas las direcciones dentro de un determinado plano. También es posible construir clinostatos 2D y 3D que incorporan 2 y 3 ejes de rotación perpendiculares, respectivamente.

En este caso, la gravedad sigue actúando normalmente en cada instante, pero debido a la rotación, la resultante promediada para cierto intervalo de tiempo (dependiendo de la velocidad de rotación) es cero.

Esta diferencia es muy importante y debe ser tenida en cuenta como limitación del método en función de los tiempos de respuesta del sistema que se esté estudiando. Sin embargo, esta debilidad puede ser una ventaja a la hora de estudiar los mecanismos mediante los que determinados sistemas responden a los estímulos gravitatorios, jugando simplemente con la velocida de giro.
Nuevamente, esta sencilla estrategia no suprime la fuerza gravitatoria, pero sí neutraliza su direccionalidad, que es la característica principal útil como estímulo para las plantas.
La simulación de microgravedad mediante clinostatos presenta algunas objeciones metodológicas importantes, pero, a cambio, ofrece posibilidades de experimentación muy variadas y accesibles. Si quieres saber más sobre los clinostatos y sus tipos puedes visitar el siguiente enlace.

Ciencia para el optimismo pragmático

Mark Stevenson, autor del libro “Viaje optimista por el futuro”. Fuente:http://flowindia.wordpress.com/people/

En enero de 2011  Mark Stevenson, un escritor británico,  escribió un libro titulado “un viaje optimista por el futuro”. En cierto modo podría decirse que es un libro de divulgación científica, pero el secreto de su éxito se debe a que, en medio de un panorama de crisis mundial y de oscuros augurios para la humanidad, el autor ofrece una visión optimista del futuro del ser humano.

No se trata de un análisis profundo ni sistemático de la compleja realidad actual, ni se proponen sugerencias específicas para problemas concretos de nuestra sociedad. Simplemente se aporta una perspectiva diferente en la que la Ciencia y la Tecnología juegan un papel esencial. El libro acertó con un detalle muy simple: en una sociedad en la que los medios de comunicación han descubierto que la crisis también “vende”, como “venden” todas las calamidades humanas, y los mensajes pesimistas casi saturan el flujo de información, muchos esperan una interpretación optimista de lo que va llegar. En un océano de pesimismo, muchos estarán dispuestos a agarrarse a la más pequeña tabla de optimismo que encuentren en su deriva; pero si parece grande, mejor.

Sigue leyendo

Animales arquitectos

Es evidente que algunas construcciones del ser humano constituyen por sí mismas espetáculos que dan muestra de la creatividad y pericia de nuestra especie, pero a mi me gusta reivindicar una arquitectura menos conocida pero no menos sorprendente que la humana. Y es que la cualidad de fabricar estructuras complejas no es una exclusiva del Homo sapiens, a pesar de que nos gusta marcar diferencias entre nuestra especie y otras especies animales. Muchas veces con fines reproductivos o simplemente organizativos, algunos animales son capaces de elaborar estructuras sorprendentes que, no en vano, han servido de fuente de inspiración a diseñadores humanos en sus creaciones.

Así que, a continuación os presento algunas de las construcciones más espectaculares y/o misteriosas elaboradas por animales que no pertenecen a la especie humana… y os desvelo algunos de sus secretos.

Sigue leyendo

Almacenamiento subterráneo de gas y seísmos

Plataforma de extracción-inyección de gas del complejo Castor, a unos 22 km de la costa de Vinaròs.

En los últimos días, los numerosos movimientos sísmicos producidos en la zona costera del Golfo de Valencia han despertado la preocupación y también el enojo de los habitantes de la zona. Enojo porque se sospecha que los terremotos están relacionados con la mano del hombre. En el punto de mira está una instalanción colosal bautizada con el nombre de “Castor” destinada a almacenar cerca de 2000 millones de metros cúbicos de gas, el mayor almacén de gas submarino en España.

Sigue leyendo

Radiación electromagnética, atmósfera y vida

En otra entrada anterior os hablaba sobre qué es la radiación electromagnética y cuál es su naturaleza. Ya en aquella ocasión mencionaba la amplia variedad de orígenes, usos y efectos que pueden tener las radiaciones electromagnéticas debido a la amplitud de escala de la energía asociada a estas ondas. Especialmente interesante es la relación entre el fenómeno de la vida y este tipo de energía.

Radiación electromagnética y vida son fenómenos íntimamente ligados de formas muy diversas y, en algunos casos, de manera poco conocida. Por una parte, no se puede comprender el origen y mantenimiento de la vida en la Tierra sin tener en cuenta determinados tipos de radiación electromagnética. Por otra parte, algunos tipos de radiación electromagnética pueden ser letales para la vida y la protección que la Tierra ofrece frente a ellas, en gran medida gracias a la atmósfera, es esencial para que la vida prosiga. La relación estrecha entre radiación electromagnética y vida aporta, además una “conexión cósmica” más de esta última, ya que la mayor parte de la radiación electromagnética que llega hasta el planeta proviene directa o indirectamente del espacio.

Sigue leyendo

Moléculas ancestrales: Reloj molecular usado como “máquina del tiempo”

Este pasado mes de agosto alcanzó bastante notoriedad en las páginas de divulgación científica un estudio liderado por científicos de la Universidad de Granada sobre la estructura comparada de un tipo de proteína denominada tiorredoxina, que se halla presente en casi todas las formas de vida, desde las bacterias más simples, hasta el ser humano. Tanto en inglés como en castellano, muchos de los artículos incluían en su título la expresión “proteína resucitada“.

No voy a negar que lo imposible del título estimuló mi interés por la noticia. ¿Cómo resucitar aquello que no tiene vida? Porque ya sabes, estoy seguro, que aunque los seres vivos estén formados por determinadas moléculas, entre ellas, proteínas, éstas como tal,  no están vivas.

Naturalmente aquella expresión era un juego de palabras con un fin publicitario.

Sigue leyendo

Radiación electromagnética: energía con doble personalidad

profesor McManus y radiación electromagnéticaLa radiación electromagnética inunda el Universo desde sus comienzos y nos llega constantemente desde el espacio ofreciéndonos información valiosísima sobre los cuerpos celestes que lo componen y también sobre las primeras etapas de su formación. De entre todas las formas de energía, ninguna puede ser  tan esencial ni tan mortífera al mismo tiempo para la vida, como la radiación electromagnética.  Pero además, en el último siglo, el ser humano ha aprendido a producirla y/o utilizarla  en aplicaciones tan diversas como las radiografías, las comunicaciones de radio y televisión, la telefonía móvil, las redes Wi-Fi, los hornos microondas y un sinfín más.

En realidad, y a pesar de la amplia utilización que hacemos de ella, esta forma de energía no ha empezado a conocerse con precisión hasta hace poco más de un siglo y aún quedan muchos detalles que no son comprendidos plenamente. (continuar leyendo)…

Encuentro con el asteroide 2012 DA14

Recreación del asteroide 2012 DA14 acercándose a la Tierra.

Recreación del asteroide 2012 DA14 acercándose a la Tierra.

Como sé que os gustan los temas astronómicos no he podido resistir la tentación contaros la historia de este singular objeto astronómico que está de moda en estos días debido a que su máxima aproximación a la Tierra tendrá lugar el próximo 15 de febrero de 2013. 2012 DA14 es un asteroide que pasará a unos 27.000 km de la Tierra en la fecha señalada. Puede parecerte que 27.000 km de distancia no es para ponerse histérico/a y, desde luego, la posibilidad de colisión está completamente descartada. Sin embargo, tú que sabes de las magnitudes del Universo, conocerás bien que 27.000 km no son nada en el espacio (de hecho, el asteroide pasará unos 8.000 km más cerca de los que lo hacen los satélites de comunicaciones geosincrónicos). (continuar leyendo)…

Huracán Sandy: de ciclón tropical a supertormenta perfecta

Todos los años varios huracanes se forman en aguas caribeñas o del Atlántico tropical y recorren con una trayectoria predominantemente noroeste las aguas de este océano. En su recorrido, las islas caribeñas están frecuentemente expuestas a la furia de estos fenómenos atmosféricos. Lo que ya es mucho menos usual es que un huracán recorra en dirección norte una distancia tan larga sobre el oceáno como para llegar conservando su nivel de energía hasta New Jersey en Estados Unidos antes de “tocar tierra”. Eso es lo que ha hecho Sandy… y en su camino ha causado cuantosísimos daños materiales y numerosas muertes. (continuar leyendo)…