Pseudogravedad por rotación: parando y arrancando

Hace ya bastante tiempo, dediqué una entrada a la generación de pseudogravedad mediante rotación, y cómo se trata en el cine y la televisión. Viendo la serie Planetes, he recordado un detalle que tenía pendiente, y que se quedó en algún lugar oculto de mi cabeza. ¿Qué ocurre si la rotación se detiene bruscamente? O también, ¿qué ocurre al iniciar la rotación?

En uno de los episodios de la mencionada serie, la acción se desarrolla en el interior de un crucero que viaja hacia la luna. La nave no rota, por lo que en su interior se experimenta la inevitable ingravidez (en realidad, caída libre, como sabrán los puristas). Hacia el final del episodio (intentaré no dar demasiados detalles para el que no haya visto la serie), se produce una tensa situación en la que un delincuente toma una niña como rehen, a la vista de todos. El delincuente y la niña están flotando en medio de un amplio salón, mientras los personajes deciden qué hacer. Un miembro de la tripulación, decide hacer rotar la nave, de forma que se crea una pseudogravedad en su interior, y el delincuente cae al suelo, siendo rápidamente reducido. Posteriormente, detienen la rotación, y la gente comienza a flota de nuevo.

Esta escena me recordó a otra similar, de la película Planeta Rojo. Recordaréis que en esta película, los protagonistas viajan a Marte, a bordo de una nave que tiene dos anillos giratorios, donde habita la tripulación. En la primera mitad de la peli, se produce un incendio en el interior de la nave, y se activa un sistema de emergencia que detiene la rotación de los anillos. De esta forma, las cosas (y personas) comienzan a flotar. Tras apagar el fuego, se reinicia la rotación de los anillos, y los objetos que estaban flotando, caen bruscamente al suelo.

¿Qué ocurriría en realidad al iniciar o detener el giro? Vamos a empezar por ver la parada, ya que es más intuitiva. Imaginemos que nos encontramos en el interior de una nave, estación espacial o similar, que gira sobre sí misma o tiene algún sector que rota. Desde nuestro punto de vista, sentimos cómo la fuerza centrífuga nos empuja hacia la cubierta, de forma que para nosotros, el «arriba» está mirando hacia el eje de rotación, y el «abajo» está en sentido contrario. Pero no hay que olvidar que en realidad nos estamos moviendo, y que esa fuerza no es más que una ilusión.

La Primera Ley de Newton, nos dice que si no se ejerce ninguna fuerza sobre un cuerpo en movimiento, éste permanecerá en movimiento rectilíneo y uniforme. De la Segunda Ley de Newton podemos extraer que si un cuerpo en movimiento experimenta una fuerza en la misma dirección que su trayectoria, acelerará o decelerará, pero manteniendose en línea recta. Si por el contrario la dirección no es la misma que la de su trayectoria, dicha trayectoria se curvará. En el caso concreto de que la dirección sea en todo momento perpendicular a la trayectoria, y si la aceleración producida se mantenga constante, el cuerpo se moverá trazando una circunferencia, y a velocidad constante (bueno, en realidad, lo que es constante es el módulo de la velocidad, ya que es una magnitud vectorial, y su dirección sí que varía). Es lo que se conoce como movimiento circular uniforme. Un ejemplo sería un satélite en órbita circular, alrededor de la tierra. La única fuerza que actúa sobre el satélite es la gravedad terrestre, y además es siempre perpendicular a su trayectoria, por lo que el satélite se mueve en círculos y a velocidad constante. Otro ejemplo sería una honda con una piedra (como la del bíblico David). Al hacer girar la honda, la parte donde está la piedra se mueve trazando circunferencias, debido a la fuerza de tensión de la cuerda, que apunta siempre en dirección a nuestra mano.

En el interior de una estación espacial en rotación, sucede lo mismo. Nosotros tenemos una determinada velocidad, y tendemos a mantenerla. El «suelo» que pisamos se mueve a la misma velocidad, pero siguiendo una trayectoria circular, y empujándonos en dirección al eje de rotación. Es lo mismo que ocurre cuando viajamos en coche y tomamos una curva. Sentimos una fuerza que nos empuja hacia el exterior de la curva, pero lo que ocurre en realidad es que nuestro cuerpo tiende a seguir en línea recta, mientras el coche gira. Como comenté hace tiempo, la fuerza centrífuga no es una fuerza real, sino una fuerza ficticia, necesaria en nuestros cálculos al utilizar un sistema de referencia no inercial.

¿Por qué todo cuento este rollo? Porque creo que es necesario entenderlo bien, antes de pasar a la acción. Bien, imaginemos nuevamente que estamos en una estación espacial en rotación, y estamos de pie tranquilamente, en el «suelo». ¿Qué ocurre si la rotación se frena? Pues que el «suelo» que pisamos (que como sabemos no es ningún suelo en realidad, y se estaba moviendo a la misma velocidad que nosotros) disminuye su velocidad. Pero nosotros tenderemos a mantener nuestra velocidad, por lo que sentiremos una fuerza que nos empuje hacia el sentido del giro. Sería como si viajando en coche, pisáramos el freno.

Si la frenada es más o menos brusca, perderemos el equilibrio y «caeremos» (¿habéis estado alguna vez de pie en un autobús que frena?). En realidad, nuestro cuerpo se desplazará en línea recta hasta que el «suelo» lo impida, al golpearnos contra él (recordad que es curvo, y en algún momento dado nos toparemos con él). Pero no olvidemos que la rotación se está detenindo, por lo que el «suelo» se está moviendo cada vez más despacio. El rozamiento con el suelo (voy a dejar de entrecomillarlo ya, creo que todos sabemos a qué nos referimos), nos irá frenando, hasta que nuestras velocidades se igualen. O si hay una pared justo en nuestro camino, nos golpearemos contra ella, y nuestra deceleración será más brusca. En cualquier caso, podéis ver que el que la estación detenga su rotación, no quiere decir que los objetos y personas de su interior comiencen a flotar plácidamente. Primero hay que detener el movimiento de esos cuerpos, bien mediante el rozamiento con el suelo, bien mediante colisión con la pared. Desde nuestro punto de vista (un sistema de referencia no inercial), una misteriosa fuerza horizontal nos empujará, y si no estamos sujetos a algo, nos hará caer y rodar por el suelo, hasta que nos detengamos o nos topemos con una pared. Y sólo después, flotaremos.

Veamos ahora el caso contrario. Estamos ingrávidos, y la estación se pone a rotar. Si hemos tenido la precaución de agarrarnos a algo, al iniciar el movimiento seremos arrastrados, de forma que rápidamente sentiremos gradualmente la fuerza centrífuga. Pero si estamos flotando libremente, veremos que el suelo y las paredes se mueven, mientras nosotros seguimos más o menos estacionarios, hasta que una pared nos golpee y nos empuje. Entonces, a medida que adquirimos velocidad, nos iremos deslizando por la pared hasta el suelo, donde podremos ponernos de pie e intentar mantener el equilibrio hasta que la velocidad de giro sea constante.

¿Y qué ocurre si estamos en un espacio muy abierto (como los jardines de la televisiva estación Babylon 5), y no puede golpearnos nada? Bueno, la verdad es que en este caso no estoy muy seguro de lo que debería ocurrir. Al principio, deberíamos permanecer estáticos mientras vemos cómo el resto de la estación gira y se mueve. Lo que ocurra después dependerá del comportamiento del aire en un entorno así, y agradecería la aportación de alguien versado en mecánica de fluidos. Imagino (y si no es así, corregidme) que el aire irá adquiriendo también el mismo movimiento que la estación. Primero en las zonas en contacto con la estructura (suelo, paredes), y posteriormente se irá propagando a todo el interior. En ese caso, sentiríamos una especie de brisa que nos iría empujando, de forma que tarde o temprano entraríamos en contacto con algún sólido que forme parte de la estructura de la estación. Si es algo parecido a una pared, nos golpeará con fuerza y nos deslizaremos hasta el suelo. Si el primer contacto es directamente con el suelo, imagino que rodaremos por él hasta que nuestras velocidades se igualen.

Así que si estamos en el interior de una nave o estación espacial, tanto al iniciar el giro como al detenerlo, a menos que estemos bien sujetos a algún elemento fijo, sufriríamos una desagradable experiencia, y nos llevaríamos alguna lesión de recuerdo.