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 otra parte, en las situaciones en las que se pueden lograr condiciones que simulen falta de gravedad de forma prolongada, como son las naves orbitales, se suelen producir vibraciones que añadan pequeñas aceleraciones que perturban la supuesta gravedad cero.
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 más que durante breves instantes. Por ello, los científicos, han preferido 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 términos cuantitativos se considera microgravedad cuando las aceleraciones que actúan son inferiores a una diezmilésima del valor de la gravedad terrestre.

En general se acepta que la intensidad d ela microgravedad es tan insignificante que sus efectos pueden ser despreciados en la mayor parte de estudios. Es decir, que los resultados de los experimentos no serían distintos si se consiguieran condiciones de gravedad matemáticamente cero.
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 (por ejemplo, cayendo en el vacío atraído por la gravedad terrestre), su velocidad aumenta 9,8 m/s cada segundo.
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 llevar 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  de aviones comerciales con cabinas modificadas pueden realizar trayectorias de vuelo parabólico en cuya parte 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 en el 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 elevadísmo. 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) que se contrapone, 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.

OLYMPUS DIGITAL CAMERAExisten varios tipos de clinostatos que responden a diferentes finalidades y que se diferencian fundamentalmente en el número de ejes de rotación que emplean. El clinostato clásico (1D o 2D) se corresponde con un motor que proporciona una rotación continua y lenta (1-10 rpm) 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.

Una variante del diseño clásico es el clinostato de rotación rápida. El nombre sugiere su particularidad: sus velocidades de rotación están entre 50 y 120 rpm. En los clinostatos “lentos” se ha observado que se producen algunas diferencias a nivel celular con respecto a los experimentos que se hacen en el espacio. Parece que las ce´lulas se ven sometidas a la fuerza mecánica de la gravedad en todas direcciones y esto produce algunos cambios. Por su parte, en los clinostatos de rotación rápida, a las partículas no les da tiepo a sedimentar por efecto de la gravedad y esto contribuye a simular mejor los efectos de la microgravedad.

La desventaja de los clinostatos de rotación rápida es que el volumen en el que se pueden conseguir estas condiciones de microgravedad simulada es muy pequeño (en torno a 1-2 mm). En cuanto nos alejamos del eje de rotación la fuerza centrífuga se hace mucho más intensa debido a la rápida rotación, afectando de esta forma a todos los resultados.

También es posible construir clinostatos  3D que incorporan 2 o 3 ejes de rotación perpendiculares entre sí. Programando mediante algoritmos la variación de las velocidades de rotación de cada eje, se puede conseguir que la muestra colocada en este tipo de dispositivo varíe de forma aleatoria su posición con respecto a la gravedad. Por ello, estos dispositivos suelen recibir el nombre abreviado de RPM (random position machine).

En este todos estos aparatos, 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.

8 thoughts on “Gravedad cero, ingravidez y microgravedad

  1. Pingback: Construcción de un clinostato de un eje | plantas en microgravedad

  2. Yo hice un experimento con agua en la Lanzadera del parque de atracciones a partir del minuto 8:25 del vídeo se puede ver el efecto de la ingravidez y la tensión superficial. Con mucho cariño, esfuerzo y dedicación <3<3

    • Gracias por una contribución tan interesante. Las torres de caída libre de los parques de atracciones ofrecen una oportunidad fantåstica para estudiar los efectos de la ingravidez en fenómenos fīsicos o químicos. Desgradaciadamente, muchas de las respuestas biológicas son demasiado lentas para estas torres y por eso hay que recurrir a otras estrategias metodológicas.
      Enhorabuena por tu trabajo.

  3. En los viajes espaciales, en los que la nave no está girando alrededor de ningún cuerpo celeste y tampoco está cayendo hacia verticalmente hacia un centro, ¿hay estados de de ingravidez (o de microgravedad, si se quiere así decirlo)?. Si existen tales estados en tales viajes, ¿cómo se explican?

    • La fuerza gravitatoria, entendida desde el punto de vista newtoniano, depende fundamentalmente de dos magntudes: la masa del cuerpo que genera el campo gravitatorio (en Cosmología, se tratará de algún cuerpo celeste) y de la distancia que nos separe de él. La intensidad del campo gravitatorio se debilita con la distancia (más exactamente, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia).
      Por tanto, en punto suficientemente alejado de cualquier cuerpo celeste (y en el Universo abundan esos lugares) el campo gravitatorio se acercaría mucho a cero. Por ejemplo, a 200.000 km de la Tierra (que aunque parezca una gran distancia, apenas es un pequeño paseo que no da ni para llegar a la Luna), la gravedad terrestre no llegaría ni a una milésima parte de su intensidad en la superficie del planeta.
      Así pues, la ingravidez (o microgravedad) en los viajes espaciales será algo habitual como consecuencia de la lejanía a cualquier masa gravitatoria en la mayor parte del trayecto.
      Espero haberte sido de ayuda y gracias por participar en el blog.

      • Muchas gracias por la respuesta, que desde el punto de vista de la teoría de la gravitación universal de Newton es correcta. Pero no me es de gran ayuda porque acudiendo a la teoría de la relatividad general de Einstein (que es una nueva teoría de la gravitación, diferente de la de Newton) yo entiendo que, conforme al principio de equivalencia en el que se fundamenta dicha teoría, la ingravidez puede ser registrada por un observador tan lejos como se quiera con respecto a la Tierra o con respecto a la masa que se quiera considerar como la fuente de gravedad, e incluso si el observador está cayendo libremente en el interior de un ascensor que se ha desprendido y cae (junto con el observador) solo bajo la influencia de la gravedad terrestre. Entonces, la ingravidez no es un asunto relacionado con la distancia a la masa que crea la gravedad (esa creencia newtoniana es justamente lo que revisa Einstein en su teoría relativista). Mi inquietud se centra en querer una explicación de la ingravidez experimentada en el interior de una nave espacial que realiza un viaje sideral. ¿Hacia dónde “cae” la nave o alrededor de qué fuente de gravedad está girando, como para poder aplicar el principio de equivalencia en ese caso particular y, con ello, explicar el estado de ingravidez?. Es de suponerse que quien lea esta participación conoce el contenido conceptual del principio de equivalencia en la teoría de la relatividad general de Einstein. Si no lo conoce, le es fácil consultarlo en wikipedia, por ejemplo. Solo entendiendo este principio se podrá entender la inquietud que aquí estoy planteando.

      • En efecto, la teoría de la relatividad general aporta un nuevo concepto de gravitación que incorpora importantes novedades con respecto a la interpretación newtoniana y que da una perspectiva radicalmente nueva al problema. De hecho, Einstein trabajó durante años en esta teoría, partiendo de su más limitada teoría de la relatividad especial, porque había algunas premisas del modelo newtoniano incompatibles con los principios básicos de la relatividad.
        Sustituir una acción instantánea a distancia (como presumía Newton para la gravitación) por una deformación del espacio-tiempo (como propone Einstein) supuso un cambio sustancial que fue adoptado porque encajaba mucho mejor en el marco de la relatividad y explicaba algunos fenómenos que la mecánica clásica no era capaz de satisfacer. En este sentido, plantear la gravitación como un tipo de fuerza no es adecuado desde el punto de vista de la relatividad.
        Sin embargo, hay algunos elementos que permanecen constantes en ambas interpretaciones de la gravedad. En ambos, la masa, es la responsable de generar efectos gravitatorios y en ambos la distancia a la masa también es importante ya que, entendamos la naturaleza gravitacional como una fuerza o como una curvatura del espacio tiempo, en ambas interpretaciones los cambios en el sistema se debilitan con la distancia. Es decir, que conforme aumenta la distancia a un objeto masivo, la deformación del espacio-tiempo provocado por este es menor.
        Desde este punto de vista, el principio de equivalencia que planteas, (que, en efecto, es piedra angular de la relatividad general), permite explicar por qué es posible generar condiciones indistinguibles de la ausencia de gravitación “en mitad” de un campo gravitatorio. La equiparación entre aceleración y gravedad explican por qué un movimiento de caída libre en el seno de un campo gravitatorio (como le ocurre a la ISS) produce las mismas sensaciones y efectos para el astronauta (y todos los equipos) que si se hallara con un movimiento uniforme fuera de cualquier campo gravitatorio.
        Dicho de otro modo, no es necesario que un objeto “caiga” hacia algún punto en concreto para que se produzca la ingravidez aplicando el principio de equivalencia. Basta con que forme parte de un sistema de referencia inercial en un lugar lo suficientemente alejado de cualquier fuente de gravedad como para que sus efectos sean inapreciables. En un largo viaje sideral, es probable que una nave pueda realizar al menos parte del viaje en este tipo de condiciones.
        Espero haberte servido de ayuda. De nuevo, gracias por participar en el blog.

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