Gravità e orbite

Che cos'è la gravità

La gravità è l'attrazione tra tutto ciò che ha massa. Tu attrai la Terra e la Terra attrae te; solo che la Terra ha una massa enormemente maggiore, quindi sei tu a muoverti. La stessa forza modella le stelle, tiene insieme le galassie e guida le sonde spaziali.

Nel 1687 Isaac Newton la descrisse con una regola semplice. L'attrazione tra due oggetti cresce con le loro masse e diminuisce con il quadrato della distanza che li separa. Raddoppia la distanza e l'attrazione scende a un quarto. In seguito la relatività generale di Einstein ha perfezionato il quadro, descrivendo la gravità come la curvatura dello spazio e del tempo, ma la regola di Newton è ancora quella che gli ingegneri usano per pianificare la maggior parte delle missioni.

Le tre leggi di Keplero in parole semplici

Decenni prima di Newton, Giovanni Keplero studiò accurate osservazioni di Marte e trovò tre regolarità nel moto dei pianeti.

Primo, le orbite sono ellissi, cerchi leggermente allungati, con il Sole in uno dei fuochi anziché al centro. La maggior parte delle orbite planetarie è appena allungata, quindi sembra quasi rotonda.

Secondo, un pianeta si muove più velocemente quando è più vicino al Sole e più lentamente quando è più lontano. Una linea dal Sole al pianeta spazza aree uguali in tempi uguali. La Terra si muove più velocemente all'inizio di gennaio e più lentamente all'inizio di luglio.

Terzo, i pianeti più lontani impiegano molto più tempo a compiere il giro. Il quadrato del periodo orbitale è proporzionale al cubo della distanza media. Giove, circa cinque volte più lontano dal Sole rispetto alla Terra, ha bisogno di quasi 12 anni per un giro. Newton dimostrò poi che tutte e tre le leggi derivano dalla sua legge di gravitazione.

Perché la Luna non cade

In un certo senso cade. La Luna cade verso la Terra in ogni istante. Ma si muove anche di lato a circa 3.680 km/h. Mentre cade, la superficie curva della Terra si allontana sotto di lei, quindi non si avvicina mai. Questo cadere e mancare senza fine è proprio un'orbita.

Newton immaginò un cannone in cima a una montagna altissima. Una palla lenta cade lì vicino. Una più veloce atterra più lontano. Sparala abbastanza veloce e il terreno si curva via alla stessa velocità con cui la palla scende, così la palla gira attorno al pianeta. La Stazione Spaziale Internazionale fa esattamente questo a circa 28.000 km/h, e gli astronauti fluttuano perché cadono insieme alla stazione, non perché manchi la gravità.

La velocità di fuga

Se lanci qualcosa più velocemente, la sua orbita diventa più grande e più allungata. A una certa velocità, chiamata velocità di fuga, non torna più indietro. Dalla superficie terrestre è di circa 40.000 km/h, ovvero circa 11,2 km al secondo, trascurando la resistenza dell'aria.

La velocità di fuga dipende dalla massa e dalle dimensioni del corpo. Sulla Luna è solo di circa 8.500 km/h; su Giove è di circa 214.000 km/h. I razzi non devono raggiungere la velocità di fuga in un'unica spinta; possono salire gradualmente, ma l'energia totale necessaria è la stessa.

I punti di Lagrange e il JWST

Quando due grandi corpi orbitano l'uno attorno all'altro, come il Sole e la Terra, esistono cinque punti speciali in cui un piccolo oggetto può mantenere la propria posizione rispetto a entrambi. Sono i punti di Lagrange, dal nome del matematico settecentesco Joseph-Louis Lagrange.

L2 si trova a circa 1,5 milioni di km dalla Terra, dalla parte opposta al Sole. Un oggetto posto lì orbiterebbe normalmente attorno al Sole più lentamente della Terra, ma l'attrazione combinata di Terra e Sole lo accelera quanto basta per tenere il nostro passo. Il telescopio spaziale James Webb gira attorno a L2 su un ampio anello. Da lì Sole, Terra e Luna si trovano tutti più o meno nella stessa direzione, quindi un unico scudo solare può bloccarne il calore e mantenere il telescopio freddissimo.

L1, tra la Terra e il Sole, ospita osservatori solari come SOHO. L1, L2 e L3 sono instabili, quindi le sonde che vi si trovano compiono piccole accensioni per restare in posizione. L4 e L5 sono stabili, e lì si raccolgono asteroidi attorno a Giove.

Osservare le orbite in azione

Puoi vedere il moto orbitale con i tuoi occhi. Segui la posizione della Luna rispetto alle stelle per qualche sera; si sposta verso est di circa la propria larghezza ogni ora. Puoi anche cercare la ISS che attraversa il cielo come un punto luminoso e fisso nelle ore dopo il tramonto o prima dell'alba; il servizio Spot the Station della NASA elenca i passaggi per la tua località.

Nel corso di settimane puoi seguire un pianeta luminoso come Giove o Marte che si sposta rispetto alle stelle di sfondo, invertendo a volte la direzione per un po'. Quell'apparente cappio avviene perché la Terra, sulla sua orbita interna più veloce, sorpassa il pianeta.