Duda sobre órbitas, aceleración, gravedad, y maniobras EVA

Hola a todos de un recién llegado (este es mi segundo mensaje, después del primero en el hilo de presentaciones), espero no liarlo mucho.

Vengo con unas dudas sobre la gravedad en relación a una órbita y la aceleración, y maniobras EVA (extravehiculares, las que hacen los astronautas fuera de una nave). Y no tengo ni idea de cómo resolverlas (me gusta la ciencia como curiosidad, pero soy más de letras; la teoría puedo conocerla pero en abstracto, en cuanto empiezan a aparecer números me explota la cabeza).

Tenía dudas de si emplazar estas preguntas en este subforo o en el de literatura. Finalmente las hago aquí porque tienen más que ver con la teoría de física aeroespacial que con la narrativa, aunque están destinadas a resolver las dudas en una novela.


Os pongo en antecedentes... se trata de una novela de terror espacial en el 2135, existe el viaje FTL, la tecnología ha avanzado considerablemente, pero aparte de eso la ambientación es bastante científica y realista de Hard Sci-Fi y las leyes de la física siguen existiendo y funcionando como hoy en día (aparte del FTL, claro).

Tenemos una nave que genera gravedad (la gravedad artificial no existe) de dos modos:

· En tránsito: mediante una aceleración constante, una maniobra de rotación sin gravedad a mitad de camino en la que la nave se invierte, y luego una desaceleración constante hasta llegar a su destino.

· En órbita: La nave es básicamente una cabeza, un eje axial y una cola; en medio del eje axial tiene unos brazos extensibles rotatorios (babor y estribor) que en tránsito están retraídos y anclados, y cuando está orbitando se despliegan y giran generando gravedad en sus extremos. En los extremos de los brazos hay una serie de módulos (laboratorios, enfermería, gimnasio, etc) repartidos entre babor y estribor equilibrando el peso/masa.


· Pregunta 1:
Si los módulos del extremo de un brazo quedan destruidos, perdiendo su masa. ¿Sería posible extender y hacer girar los brazos para generar gravedad? ¿O la descompensación de masa entre un brazo y otro haría que el motor rotatorio sufriera y se pudiera romper? En cuyo caso sería necesario reemplazar los módulos destruidos de un brazo por otros de masa similar (carga, combustible, etc) para igualar la masa y que los brazos pudieran volver a rotar sin que el motor sufriera.


· Pregunta 2:
¿Sería posible realizar una maniobra EVA con la nave acelerando / desacelerando? ¿O sería mejor hacerla en órbita, con velocidad constante pero sin aceleración?

Explicación detallada:

Una lanzadera en órbita, vista a través de los ojos de un astronauta que está fuera (en una maniobra EVA) parece que está quieta, pero en realidad se mueve a miles de kilómetros por hora. El astronauta de la EVA, así como restos de debris que flotaran alrededor de la nave, parecería que están quietos en relación unos con otros, pero en realidad todos se están moviendo a miles de kilómetros por hora, en la misma órbita y a la misma velocidad constante.

OK, hasta aquí bien.

Pero ¿qué ocurriría si la velocidad no es constante, y lo que es constante es la aceleración (o desaceleración)?

El astronauta del ejemplo, y los restos de debris que están cerca de la nave, acelerarían y desacelerarían al mismo tiempo que la nave, ¿o ésta los dejaría atrás?

Es decir, un astronauta que hiciera una maniobra EVA para quitar esos restos de debris, debería hacer la EVA cuando la nave está orbitando (velocidad constante, aceleración 0), cuando la nave se está moviendo (aceleración constante, velocidad creciente/decreciente) o no importaría y daría igual?


Creo que está más o menos claro... pero igual me ha explotado definitivamente la cabeza y viene un físico a decirme que si estoy tonto con estas preguntas, que es totalmente imposible...

Muchas gracias de antemano :)

Hola, no soy un experto en Física, pero creo que estos conceptos de Dinámica los domino, (matemáticamente hablando).

Pregunta 1:
Si los módulos del extremo de un brazo quedan destruidos, perdiendo su masa. ¿Sería posible extender y hacer girar los brazos para generar gravedad? ¿O la descompensación de masa entre un brazo y otro haría que el motor rotatorio sufriera y se pudiera romper? En cuyo caso sería necesario reemplazar los módulos destruidos de un brazo por otros de masa similar (carga, combustible, etc) para igualar la masa y que los brazos pudieran volver a rotar sin que el motor sufriera.

Tu primera pregunta me parece más de Ingeniería que de Física, y depende del tipo de rotor que use la nave. Pero te explico cómo creo yo que funcionaría el asunto de la Física.

En este caso, la masa de cada brazo es irrelevante en términos de aceleración (gravedad) generada por rotación. Es decir, la gravedad en cualquier punto en la longitud del brazo solo depende de la velocidad angular del giro y de lo cerca o lejos que te encuentres del centro de rotación (más lejos = más gravedad), no de la masa en ese punto del brazo.

Lo que al motor le preocupa en términos de energía es el "momento de inercia" de los brazos, donde la masa de los brazos sí tiene importancia. Si cambia la masa, cambia el "momento de inercia". Puedes inventarte un rotor que compense los brazos no simétricos en caso de contingencia y que conserve el "centro de inercia" en tales casos. Pero esto no altera los fenómenos físicos.

Cuando el motor hace girar los brazos, se produce un vector físico (que es perpendicular al plano de rotación y, en este caso, colineal al eje principal de la nave) llamado "momento angular". Este vector es una magnitud conservativa en ausencia de fuerzas externas (la repentina desaparición de un módulo sería un evento "interno" del sistema "nave") y es lo que causa que una peonza pueda girar sobre el suelo en posición vertical.

Si un brazo pierde masa mientras gira en simetría bilateral con otro (como las dos aspas de un helicóptero) se produce un cambio del centro de masas de giro y una variación en el vector "momento angular" que es directamente proporcional al cambio en la masa. (si la masa cambia poco de un brazo a otro, el cambio en el momento angular es muy pequeño).
Como este vector tiene que conservarse, el resultado es que la nave comenzaría a realizar un "movimiento de precesión" en el que los dos extremos de su eje principal dibujarían el mismo circulito en el espacio delante y detrás de la nave (es lo que ocurre cuando una peonza pierde velocidad de giro). Este movimiento de precesión será más violento cuanto mayor pérdida relativa de masa se haya producido. Esto es independiente de que el rotor logre compensar el "centro de inercia" de los brazos asismétricos. Este movimiento de precesión puede evitarse con giroscopios y propulsores secundarios que corrijan la dirección del eje de la nave.

Pregunta 2
Es decir, un astronauta que hiciera una maniobra EVA para quitar esos restos de debris, debería hacer la EVA cuando la nave está orbitando (velocidad constante, aceleración 0), cuando la nave se está moviendo (aceleración constante, velocidad creciente/decreciente) o no importaría y daría igual?

Respuesta: Lo que importa en este caso es la velocidad relativa entre el debris y la nave/hombre que va a cargarlo/retirarlo. Cuanto menor sea esta velocidad, menos problemas requiere cargar el debris en el "contenedor de basura". Dado que el debris está en velocidad órbital, la EVA debería realizarse a esa velocidad orbital (y en posición próxima al debris) o a velocidad lo más cercana a esta posible. Aunque no haya gravedad, una piedra de 10 kilos sigue teniendo una masa de 10 kilos y es tremendamente difícil de parar a gran velocidad. Por eso conviene viajar a la misma velocidad que ella para "recogerla"

Espero haberte aclarado algo. Si tienes más dudas, espero poder ser de ayuda.

Un saludo.