Solón preguntó:
“Nunca he entendido por qué una nave espacial que se acerca a un gran planeta como Júpiter o Saturno, recibe un empujón del planeta y puede seguir navegando más o menos en la misma dirección que llevaba.
Siempre había pensado que la nave debería rodear el planeta y alejarse del mismo en dirección contraria y tal vez quedar en órbita alrededpr del planeta.
Ahora sé que esto no es así debido a que el planeta no está estático, sino que se mueve a gran velocidaf alrededor del Sol, pero me gustaría entender cómo sucede esto, cómo actúan las fuerzas en este proceso.”
Esta maniobra que describes se llama asistencia gravitatoria, o gravitational slingshot (honda gravitatoria) y se basa en aprovechar la gravedad de un planeta en movimiento para impulsar un objeto mucho menor como una nave espacial. Es una técnica que se usa muy habituálmente cuando se quieren mandar misiones muy lejos, como a Jupiter, Saturno o fuera del Sistema Solar. El porqué se hace esto es muy simple, cuanto más ligero es un cohete o una nave espacial, más fácil y barato resulta mandarlo al espacio (se dice que un kilogramo en el espacio cuesta un kilogramo de oro) y lo que más pesa en estos cohetes es precisamente el combustible; así que tener una forma “gratis” para impulsar nuestra nave hace que los lanzamientos sean más sencillos (y baratos).
Y digo lo de gratis entre comillas porque aunque no se necesita combustible extra por detrás hay muchisimos físicos e ingenieros haciendo cálculos como locos. Además, estos lanzamientos se tienen que hacer en unas fechas muy específicas porque es cuando los planetas van a estar en la posición adecuada para que se pueda hacer el empujón gravitatorio. No deja de ser curioso que se sepa la trayectoria que las naves y sondas van a seguir ¡desde el primer día!
Las agencias espaciales han utilizado este efecto a menudo en sus misiones. La Mariner 10 fue la primera en usarlo para llegar hasta Mercurio catapultándose desde Venus. Las Voyager y Pioneer lo usaron en Jupiter y Saturno para escapar de la atracción del Sol y escapar del Sistema Solar. A la sonda Cassini le hicieron un viaje de cuidado para llegar a las lunas de Saturno, pasó Venus dos veces, luego la Tierra, luego Júpiter y finalmente Saturno. Y así con muchísimas otras misiones pero la pregunta es como funciona ¡así que vamos a ello!
Voy a responder a esta pregunta 2 veces, una forma sencilla y gráfica y otra un poco más completa:
1) Imaginaros que estáis jugando al futbol al lado de una carretera, en un momento dado el balón se va a la carrete y en ese momento pasa un coche golpeando el balón y mandándolo a tomar vientos. Eso pasa también en nuestro caso, para nosotros el balón es la nave espacial y el coche es el planeta. Como sucedería con el balón, si golpeáse el coche estando parado saldría rebotado con la misma velocidad con la que impactó; pero cuando el coche se mueve, su velocidad se añade a la de la pelota y ésta sale disparada. Lo mismo pasa con la nave, a la salida se ha llevado el impulso de la velocidad del planeta. Es como si la nave y el planeta hubiesen colisionado (de hecho en física consideramos esto una colisión aunque la nave no se estrelle).
2) Ahora vamos con la física de verdad. Para ver como funciona esto tendríamos que coger las leyes de Newton (todas ellas, las 3 de la mecánica y la de Gravitación Universal), poner unas condiciones iniciales y hacer todo el desarrollo matemático hasta hallar la solución. Ésto se puede llegar a complicar bastante y no lo vamos a hacer aquí, aunque siempre conviene recordar que éste es el camino que siguen los físicos que se dedican a mandar cacharros al espacio. Pero para que veáis un ejemplo, vamos a resolver un caso muy sencillo:
Tenemos una nave moviendose a la derecha con velocidad V y un planeta moviendose a la izquierda con velocidad U, cuando la nave llega al planeta se aprovecha de su gravedad para darle una vuelta y salir en sentido opuesto al que entró, ¿a qué velocidad sale la nave? Para hallar la solución vamos a cambiar de sistema de referencia, ahora suponemos que el planeta está quieto, por lo tanto tenemos una nave que se mueve a la derecha con velocidad V+U (lo que hemos hecho ha sido restar U a los objetos que se mueven a la izquierda y sumarselo a los que van hacia la derecha). Como lo único que hemos hecho ha sido cambiar el sistema de referencia la nave sigue haciendo lo mismo que hacía antes: dar la vuelta al planeta y salir en sentido contrario. Como ahora el planeta está quieto sabemos que la velocidad con la que sale es la misma con la que entra, así que al final de la maniobra nuestra nave se mueve hacia la izquierda con velocidad V+U. Ahora ya sólo tenemos que deshacer el cambio de sistema de referencia (sumandole U a todos los objetos que vayan a la izquierda y restándoselo a los que vayan a la derecha): nos queda que el planeta se mueve con velocidad U a la izquierda como al principio y que la nave se mueve con velocidad V+2U a la izquierda. Y listo, ¡ahora la nave se mueve con su velocidad original más dos veces la que lleva el planeta!
Por supuesto, este es un caso supersimplificado, los cálculos que se tienen que hacer son mucho más complicados. Sin embargo creo que ayuda a entender como algo como esta honda gravitatoria es posible.