Aquest passat DDD (2025) a Màlaga, Ana Martínez, professora de l’IES Bezmiliana de Màlaga, va tornar a presentar un experiment sobre gravetat reduïda (microgravetat) en el creixement de cristalls. Per a poder simular la microgravetat van construir un  simulador de gravetat fent girar un recipient hermètic i aïllant amb velocitat controlada per un Arduino.

Aquesta presentació de Ana Martínez me va recordar els experiments de microgravetat que jo utilitzava per il·lustrar la situació dels astronautes en ingravidesa de manera que ara, en aquesta entrada, en faré un petit recull.

No aportaré gaire bé res de nou ja que al 1995 la NASA ja va fer un document que recollia 16 activitats per a les ciències físiques, que posteriorment va ampliar a les matemàtiques i la tecnologia al llibre Microgravity. A Teacher’s Guide With Activities in Science, Mathematics, and Technology. A més, el professor Ricardo Moreno, al número 39 de la revista Nadir va fer un article titulat Probando la microgravedad en el que incloïa 6 activitats molt fàcils de portar a terme (algunes dels llibres de la NASA). Podeu acudir a aquestes publicacions, però també continuar llegint el resum que he preparat.

Microgravetat: Quan la física sembla comportar-se diferent

La microgravetat no és absència de gravetat, és un estat en què un sistema sencer, astronautes, objectes, aire, líquids, es troba en caiguda lliure contínua. A l’Estació Espacial Internacional (EEI), situada a uns 300 – 400 km d’altura, la gravetat continua sent molt intensa: aproximadament el 83% de la gravetat terrestre. Per tant, el que desapareix no és la força gravitatòria, sinó la sensació de pes.

¿Quina gravetat hi ha realment a l’Estació Espacial Internacional?

Suposem que l’Estació Espacial Internacional (EEI) orbita a 300 km de altura. A aquesta distancia de la Terra la gravetat segueix sent molt intensa. Podem calcular-la amb l’expressió:

On: g₀ (gravetat a la superfície terrestre) = 9,8 m/s², R_T (radi de la Terra) = 6371 km, i h = 300 km. Substituint:

El que vol dir que a 300 km d’altura la gravetat és encara el 83% de la terrestre. Per tant els astronautes no floten perquè la gravetat sigui feble, sinó perquè estan en caiguda lliure contínua sobre la Terra, però no acaben de caure en ella.

Com que l’EEI es mou a una velocitat molt elevada, uns 27.700 km/h, mentre cau cap a la Terra la superfície terrestre es corba sota ella a la mateixa velocitat. El resultat és una caiguda eterna, que és el que anomenem òrbita. El resultat és un entorn de microgravetat estable.

La microgravetat permet observar fenòmens fonamentals com que els fluids es comporten dominats per la tensió superficial (no pel pes), la combustió adopta formes esfèriques i més fredes, els cristalls creixen amb més puresa i simetria, els organismes vius en modifiquen la seva fisiologia, o els materials se solidifiquen sense sedimentació, ja que la microgravetat permet estudiar els processos físics sense convecció, sedimentació ni gradients de pressió significatius.

Mirem un parell de vídeos que il·lustren molt bé què és el que passa amb algunes situacions quan s’està en òrbita. En el primer, José Luis Oltra en Cuarentaydos ens explica no només que li passa a l’aigua quan els astronautes la deixen flotar a l’aire a l’EEI, també com llueix la flama d’una espelma. En el segon, James J. Orgill en The Action Lab ens explica un disseny de tassa amb la que els astronautes poden beure gràcies a que els líquids pugen per un pic del recipient degut al fenomen de la capil·laritat.

I a la Terra, com podem generar microgravetat, encara que sigui temporal?

• Per una banda amb avions als que es deixa caure en trajectòries parabòliques que proporcionen 20 – 25 segons de microgravetat.
• També amb coets suborbitals amb trajectòries parabòliques més grans que proporcionen fins a 3 – 6 minuts de microgravetat.

• I amb Torres de caiguda lliure com la torre de Bremen (146 m), que ofereix 4 – 10 segons de microgravetat.

A la Terra també ens quedarien els laboratoris escolars en els quals amb creativitat podem simular efectes de microgravetat amb, per exemple:

• Canvis constants en la posició, com en el cas de la cristal·lització de l’Ana.
• Caigudes lliures breus (0,5–1 s), com en la llauna foradada amb aigua
• Fluids en medis de densitat similar, com l’oli en aigua i alcohol
• Sistemes suspesos o flotants, com la cristal·lització amb una llavor cristal·lina suspesa.

Els experiments

Començarem amb un experiment similar al del creixement de cristalls d’inici d’aquesta entrada, però ara amb el creixement de plantes provocant canvis constants en la posició, el que simula una situació d’ingravidesa. És un projecte realitzat a l’IES Maria Victoria Atencia també de Màlaga. Per a poder girar les llavors construeixen un clinòstat amb un motor d’un CD. Una altra possibilitat és la de construir-lo mitjançant un projecte Arduino, que és el que proposen a Science Buddies, que és una organització sense ànim de lucre enfocada a l’educació STEM.

Seguirem amb el vídeo Freefall, physics of elevators and other falling objects demonstrating weightlessness de Bruce Yeany en Homemade Science. Aquest és un professor de física al que paga la pena seguir.

En el vídeo mostra una sèrie d’experiments de caiguda lliure, i per tant de microgravetat, amb ninots, recipients foradats, etc. molt interessants i fàcils de portar a terme. La clau per adonar-se bé del que passa és filmar l’esdeveniment amb un telèfon mòbil.

Un altre experiment de caiguda lliure seria el de deixar caure lliurement un pèndol simple, però lo xulo és veure que passa amb el pèndol en situació de microgravetat estable, com es veu en aquest vídeo antic d’una tripulació xinesa en òrbita terrestre

Continuem amb l’experiment de fluids en medis de densitat similar, com és el cas d’una gota l’oli vegetal en una barreja d’aigua i alcohol etílic, el que de vegades se li diu l’experiment del submarí groc. L’oli d’oliva te una densitat aproximada de 915 g/L i el de gira-sol molt similar de 920 g/L. Per aconseguir la mateixa densitat en la mescal d’aigua i alcohol, amb densitats de 1000 g/L i 789 g/L respectivament, s’han de barrejar de manera que la proporció d’aigua sigui del 59,7 %. És a dir, aproximadament a parts iguals.

Hi ha molts vídeos sobre aquest assumpte. Us fico aquest de l’empresa EnigmaPark en el que relacionen l’efecte amb la microgravetat, malgrat que en un primer moment confonen el estar en òrbita amb estar a la Lluna.

Segueixo amb la  proposta de deixar caure un telèfon mòbil sobre un coixí. El podeu deixar caure des d’una altura de mig metre, per exemple, amb l’aplicació Phyphox gravant dades a l’apartat Aceleración con g. A la captura de pantalla es veu que en la caiguda nota una acceleració només de 0,1 m/s², és a dir, minigravetat 😉.

Acabo amb el micrograviscopi. Podem anomenar així a un tub de cartró (com els del rotllos de paper de o cuina) en el que s’enganxa en un extrem una goma de pollastre, que es passa per dins i es lliga a l’altre extrem a un petit pes (un cargol, una maquineta, etc.) que es deixa penjant a l’altra sortida del tub (veure vídeo, gravat a càmera lenta). Quan es deixa caure el conjunt, deixa de tenir efecte el pes sobre la maquineta i només queda la força amb la que l’estira la goma, amb la qual cosa la maquineta és engolida pel tub.

---