Explicador: Todo sobre las órbitas | Noticias científicas para estudiantes
Incluso en la antigüedad, los observadores de estrellas sabían que los planetas diferían de las estrellas. Mientras que las estrellas siempre aparecían en el mismo lugar general en el cielo nocturno, los planetas cambiaban de posición de una noche a otra. Parecían moverse a través del telón de fondo de las estrellas. A veces, los planetas incluso parecían moverse hacia atrás. (Este comportamiento se conoce como movimiento retrógrado). Tales movimientos extraños en el cielo eran difíciles de explicar.
Luego, en la década de 1600, Johannes Kepler identificó patrones matemáticos en los movimientos de los planetas. Los astrónomos antes que él sabían que los planetas orbitaban o se movían alrededor del sol. Pero Kepler fue el primero en describir esas órbitas, correctamente, con matemáticas. Como si armara un rompecabezas, Kepler vio cómo encajaban las piezas de datos. Resumió las matemáticas del movimiento orbital con tres leyes:
- El camino que toma un planeta alrededor del sol es una elipse, no un círculo. Una elipse es una forma ovalada. Esto significa que a veces un planeta está más cerca del sol que otras veces.
- La velocidad de un planeta cambia a medida que se mueve a lo largo de este camino. El planeta se acelera cuando pasa más cerca del sol y se desacelera a medida que se aleja del sol.
- Cada planeta gira alrededor del sol a una velocidad diferente. Los más distantes se mueven más lentamente que los más cercanos a la estrella.
Kepler todavía no podía explicar por qué los planetas siguen trayectorias elípticas y no circulares. Pero sus leyes podían predecir las posiciones de los planetas con una precisión increíble. Luego, unos 50 años más tarde, el físico Isaac Newton explicó el mecanismo para por qué Las leyes de Kepler funcionaron: la gravedad. La fuerza de la gravedad atrae objetos en el espacio entre sí, lo que hace que el movimiento de un objeto se incline continuamente hacia otro.
En todo el cosmos, todo tipo de objetos celestes se orbitan entre sí. Las lunas y las naves espaciales orbitan planetas. Los cometas y los asteroides orbitan alrededor del sol, incluso otros planetas. Nuestro sol orbita el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Las galaxias también se orbitan entre sí. Las leyes de Kepler que describen las órbitas son válidas para todos estos objetos en todo el universo.
Echemos un vistazo a cada una de las leyes de Kepler con más detalle.
Primera Ley de Kepler: Elipses
Para describir cuán ovalada es una elipse, los científicos usan la palabra excentricidad (Ek-sen-TRIS-sih-te). Esa excentricidad es un número entre 0 y 1. Un círculo perfecto tiene una excentricidad de 0. Las órbitas con excentricidades más cercanas a 1 son en realidad óvalos alargados.
La órbita de la luna alrededor de la Tierra tiene una excentricidad de 0,055. Eso es casi un círculo perfecto. Los cometas tienen órbitas muy excéntricas. El cometa Halley, que pasa zumbando por la Tierra cada 75 años, tiene una excentricidad orbital de 0,967.
(Es posible que el movimiento de un objeto tenga una excentricidad mayor que 1. Pero una excentricidad tan alta describe un objeto girando alrededor de otro en una amplia forma de U, para nunca regresar. Entonces, estrictamente hablando, no estaría orbitando el objeto su camino estaba torcido.)
Las elipses son muy importantes para planificar la órbita de una nave espacial. Si desea enviar una nave espacial a Marte, debe recordar que la nave espacial parte de la Tierra. Eso puede sonar tonto al principio. Pero cuando lanzas un cohete, naturalmente seguirá la elipse de la órbita de la Tierra alrededor del sol. Para llegar a Marte, la trayectoria elíptica de la nave espacial alrededor del sol tendrá que cambiar para coincidir con la órbita de Marte.
Con algunas matemáticas muy complejas, esa famosa «ciencia espacial», los científicos pueden planificar qué tan rápido y qué tan alto necesita un cohete para lanzar una nave espacial. Una vez que la nave espacial está en órbita alrededor de la Tierra, un conjunto separado de motores más pequeños amplía lentamente la órbita de la nave alrededor del sol. Con una planificación cuidadosa, la nueva elipse orbital de la nave espacial coincidirá exactamente con la de Marte en el momento justo. Eso permite que la nave espacial llegue al Planeta Rojo.
Segunda ley de Kepler: velocidades cambiantes
El punto donde la órbita de un planeta se acerca más al sol es su perihelio. El término proviene del griego perio cerca, y helioso sol.
La Tierra alcanza su perihelio a principios de enero. (Esto puede parecer extraño para las personas del hemisferio norte, que experimentan el invierno en enero. Pero la distancia entre la Tierra y el Sol no es la causa de nuestras estaciones. Eso se debe a la inclinación del eje de rotación de la Tierra). En el perihelio, la Tierra se mueve más rápido en su órbita, unos 30 kilómetros (19 millas) por segundo. A principios de julio, la órbita de la Tierra está en su punto más alejado del sol. Luego, la Tierra viaja más lentamente a lo largo de su trayectoria orbital, aproximadamente a 29 kilómetros (18 millas) por segundo.
Los planetas no son los únicos objetos en órbita que aceleran y ralentizan de esta manera. Cada vez que algo en órbita se acerca al objeto que está orbitando, siente una atracción gravitacional más fuerte. Como resultado, se acelera.
Los científicos intentan usar este impulso adicional cuando lanzan naves espaciales a otros planetas. Por ejemplo, una sonda enviada a Júpiter podría pasar volando por Marte en el camino. A medida que la nave espacial se acerca a Marte, la gravedad del planeta hace que la sonda se acelere. Ese impulso gravitacional arroja la nave espacial hacia Júpiter mucho más rápido de lo que viajaría por sí sola. Esto se llama el efecto tirachinas. Usarlo puede ahorrar mucho combustible. La gravedad hace parte del trabajo, por lo que los motores necesitan hacer menos.
Tercera Ley de Kepler: Distancia y Velocidad
A una distancia promedio de 4.500 millones de kilómetros (2.800 millones de millas), la atracción gravitacional del sol sobre Neptuno es lo suficientemente fuerte como para mantener el planeta en órbita. Pero es mucho más débil que el tirón del sol en la Tierra, que está a solo 150 millones de kilómetros (93 millones de millas) del sol. Entonces, Neptuno viaja a lo largo de su órbita más lentamente que la Tierra. Navega alrededor del sol a unos 5 kilómetros (3 millas) por segundo. La Tierra gira alrededor del sol a unos 30 kilómetros (19 millas) por segundo.
Dado que los planetas más distantes viajan más lentamente en órbitas más amplias, tardan mucho más en completar una órbita. Este lapso de tiempo se conoce como un año. En Neptuno, dura unos 60.000 días terrestres. En la Tierra, mucho más cerca del sol, un año tiene un poco más de 365 días. Y Mercurio, el planeta más cercano al sol, concluye su propio año cada 88 días terrestres.
Esta relación entre la distancia de un objeto en órbita y su velocidad afecta la rapidez con la que los satélites se desplazan alrededor de la Tierra. La mayoría de los satélites, incluida la Estación Espacial Internacional, orbitan entre 300 y 800 kilómetros (200 y 500 millas) sobre la superficie de la Tierra. Esos satélites de bajo vuelo completan una órbita cada 90 minutos más o menos.
Algunas órbitas muy altas, alrededor de 35 000 kilómetros (20 000 millas) del suelo, hacen que los satélites se muevan más lentamente. De hecho, esos satélites se mueven lo suficientemente lento como para igualar la velocidad de rotación de la Tierra. Estas artesanías están en geosíncrono (Gee-oh-SIN-kron-ous) órbita. Dado que parecen estar parados sobre un solo país o región, estos satélites a menudo se usan para rastrear el clima o transmitir comunicaciones.
Sobre colisiones y lugares de ‘estacionamiento’
El espacio puede ser enorme, pero todo en él está siempre en movimiento. Ocasionalmente, dos órbitas se cruzan entre sí. Y eso puede conducir a colisiones.
Algunos lugares están repletos de objetos en órbitas entrecruzadas. Considere toda la basura espacial que orbita alrededor de la Tierra. Estos fragmentos de escombros chocan constantemente entre sí, y ocasionalmente con naves espaciales importantes. Predecir hacia dónde se dirigen piezas de escombros potencialmente peligrosas en este enjambre puede ser bastante complejo. Pero vale la pena, si los científicos pueden prever una colisión y apartar una nave espacial del camino.
A veces, es posible que el objetivo de una colisión potencial no pueda desviar su camino. Considere un meteoro u otra roca espacial cuya órbita puede ponerlo en curso de colisión con la Tierra. Si tenemos suerte, esa roca entrante se quemará en la atmósfera de la Tierra. Pero si la roca es demasiado grande para desintegrarse por completo en su camino por el aire, podría estrellarse contra la Tierra. Y eso podría resultar desastroso, tal como lo fue para los dinosaurios hace 66 millones de años. Para evitar estos problemas, los científicos están investigando cómo desviar la órbita de las rocas espaciales entrantes. Eso requiere un número especialmente desafiante de cálculos orbitales.
Salvar los satélites, y potencialmente evitar el apocalipsis, no son las únicas razones para comprender las órbitas.
En la década de 1700, el matemático Joseph-Louis Lagrange identificó un conjunto especial de puntos en el espacio alrededor del sol y de cualquier planeta. En estos puntos, la atracción gravitacional del sol y el planeta se equilibran. Como resultado, una nave espacial estacionada en ese lugar puede permanecer allí sin quemar mucho combustible. Hoy en día, estos se conocen como puntos de Lagrange.
Uno de esos puntos, conocido como L2, es especialmente útil para los telescopios espaciales que necesitan permanecer muy fríos. El nuevo telescopio espacial James Webb, o JWST, aprovecha eso.
Orbitando en L2, JWST puede apuntar lejos de la Tierra y el sol. Esto permite que el telescopio realice observaciones en cualquier parte del espacio. Y dado que L2 está a aproximadamente 1,5 millones de kilómetros (1 millón de millas) de la Tierra, está lo suficientemente lejos tanto de la Tierra como del sol para mantener los instrumentos de JWST extremadamente fríos. Pero L2 también permite que JWST permanezca en comunicación constante con el suelo. Como JWST orbita el sol en L2, siempre estará a la misma distancia de la Tierra, por lo que el telescopio puede enviar sus impresionantes vistas a casa mientras mira hacia el universo.
