Un sueño. Siempre el mismo. En la imaginación, con Ícaro o los superhéroes de las series fantásticas. En la vida real, para los saltadores de pértiga, los pilotos de avión o los hombres del espacio. Este sueño, volar, alejarse de la fuerza de gravedad que implacablemente nos une al suelo, nos mantiene confinados a la superficie de la Tierra. Estar libre de la gravedad, ¡qué libertad sería!
¿La gravedad de la Tierra solo nos inmoviliza?
Veámoslo desde la perspectiva de la física. El movimiento de todo objeto (que llamamos cuerpo) depende de las fuerzas que actúan sobre él. Dado que se impone a cualquier cuerpo con masa, la fuerza de la gravedad se encuentra en muchos, si no en todos, nuestros fenómenos cotidianos. Eliminar esta fuerza sería inhibir el fenómeno que la origina. Ya hemos mencionado la existencia de nuestra atmósfera. Lo mismo ocurrirá con el empuje del teorema de Arquímedes. ¿Existe en el espacio?
Experimento sobre la interacción entre gotas cargadas eléctricamente, durante un vuelo parabólico. ESA, A. Le Floc’h, Author provided
Debido a la gravedad, la presión en un fluido (aire, agua) aumenta con la profundidad. Por lo tanto, si un objeto se sumerge en el agua, la presión por debajo de él será mayor que la presión por encima. Esta diferencia hace que el objeto sea empujado hacia arriba. Si su densidad es menor que la del agua, esta flotabilidad hará que suba a la superficie. Flota. En ausencia de gravedad, se acabó la flotación… ¡y tampoco se hunden los objetos! Se acabaron las masas de aire caliente que suben al aire más frío, y con ellas se acabaron los globos de aire caliente, se acabó la calefacción con radiadores, se acabó la combustión (velas, fuego, etc.) mantenida por la renovación del aire circundante constantemente calentado, se acabó la ebullición del agua dejando escapar burbujas de gas a la superficie, se acabaron las corrientes marinas, se acabó todo eso.
Todos estos supuestos, y muchos otros, son objeto de experimentos científicos. El objetivo es determinar el papel que desempeña la gravedad en tal o cual fenómeno. En estos experimentos, los científicos ven la gravedad como una fuerza entre otras, que podemos modificar: un poco como empujar más o menos fuerte un objeto.
El problema es que es imposible deshacerse de la gravedad. Por ello, se han creado varios medios para simular su ausencia: cohetes de sondeo, torres de caída libre, vuelos parabólicos, la Estación Espacial Internacional (EEI). En todas estas plataformas experimentales, el objetivo es dejar “caer” el experimento, incluido el laboratorio, para anular el peso del conjunto. La duración de esta situación de ingravidez aparente depende directamente del tiempo durante el cual se puede mantener esta “caída”: desde 10 segundos en una torre de caída libre, hasta varios meses en la EEI.
¿Qué experimentos se pueden realizar en ingravidez?
La ingravidez permite estudiar los objetos haciéndolos flotar en el aire sin tocarlos. Esto es especialmente adecuado para los casos en los que el objeto en cuestión no se puede tocar, porque está cargado de electricidad, por ejemplo.
Al igual que la gravedad, la fuerza eléctrica afecta al volumen de los cuerpos. Para los electrones, que son muy ligeros, domina la gravedad. Sin embargo, para objetos más grandes, como las gotas de agua, esto ya no es así. Hoy en día, podemos encontrar gotas cargadas eléctricamente tanto en la industria (aerosoles de metal y pintura) como en la investigación fundamental (gases de gotas cargadas eléctricamente).
Las espumas se comportan de forma muy diferente cuando no hay gravedad que las deforme. El astronauta Frank De Winne posa en la EEI con el experimento FOAM Stability. ESA, CC BY
En la vida cotidiana, las nubes albergan gotas de agua cargadas de electricidad. Esta electricidad es la fuente de los rayos. Sin embargo, el mecanismo por el que las gotas se cargan y las interacciones que sufren (colisiones, fusiones, roturas…) se conocen relativamente poco. Al realizar experimentos en ingravidez, es posible hacer que las gotas interactúen y observar su dinámica durante varios segundos, sin tocarlas y sin que sean perturbadas. También es posible estudiar la influencia de la carga eléctrica en el tamaño de las gotas de lluvia.
En determinadas situaciones, es útil realizar experimentos en ingravidez para poner de relieve una fuerza de menor importancia que la gravedad.
Ingravidez para revelar capilaridad
Con su acción sobre todo el volumen de los cuerpos, la gravedad actúa a grandes distancias: la Tierra es atraída por el Sol, que está muy lejos. Por el contrario, el campo de acción de la fuerza responsable de la forma esférica de las gotas de lluvia se limita a la superficie de los líquidos. Esta fuerza se llama tensión superficial. Solo se produce en el límite entre dos fluidos: el aire y el agua, por ejemplo. Podemos constatar su existencia en algunas situaciones concretas. Por ejemplo, necesitamos soplar para producir una burbuja de jabón. La poca energía que nos cuesta este esfuerzo sirve para contrarrestar la tensión superficial.
Bajo la acción de la gravedad, las espumas se secan. Las burbujas de la parte superior se vuelven delgadas y angulosas; solo las burbujas cercanas al agua permanecen esféricas. D. Terwagne/U. Lieja, Author provided
Para la mayoría de los objetos, la gravedad domina la tensión superficial. Para invertir esta tendencia, debemos considerar los objetos líquidos pequeños: las gotas de agua, por ejemplo. En este caso, la tensión superficial es capaz de imponer la forma esférica a la gota, aunque esté colocada sobre una mesa. Desgraciadamente, si el volumen de la gota aumenta un poco (unos 10 mm³ son suficientes), la gravedad vuelve a tomar el control y la gota se aplana, convirtiéndose finalmente en un charco.
Para aprovechar el efecto de la tensión superficial, varios estudios sobre la ingravidez se centran en la espuma de jabón. Con sus cientos de burbujas, las espumas tienen una gran superficie líquida y maximizan el efecto de la tensión superficial. Por efecto de la gravedad, el líquido de la espuma tiende a hundirse y la espuma se seca, muriendo finalmente. En ingravidez, este fenómeno desaparece y es posible estudiar las espumas húmedas. Las características (estabilidad, resistencia mecánica, etc.) de estas espumas húmedas permiten comprender mejor la fisicoquímica de estos materiales particulares. Los resultados de esta investigación proporcionan información útil en muchos campos industriales (por ejemplo, para el desarrollo de materiales ligeros y resistentes) y en la ciencia fundamental (flujos de fluidos confinados).
Exploración espacial a menos de 400 kilómetros de la Tierra
Al tratar de ocultar la acción de la gravedad, la investigación en microgravedad e ingravidez hace de la conquista del espacio un medio, no un fin. Complementa los programas destinados a comprender la inmensidad del universo, y ofrece la oportunidad de abordar los vuelos tripulados con un mejor conocimiento del entorno en el que se sumergirán los astronautas. Todos estos resultados se obtienen, por tanto, permaneciendo muy cerca de la superficie de la Tierra: un vuelo parabólico tiene lugar a una altura de unos 10 kilómetros y la EEI está a solo 400 kilómetros de la Tierra.