La forza di gravità è il vero carburante delle sonde spaziali

Il movimento degli oggetti nello spazio libero è vincolato dai corpi massivi che attraggono a sé quello che li circonda. Vediamo come funziona.

La forza di gravità è il vero carburante delle sonde spaziali
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La forza di gravità la conosciamo tutti: se provate a fare un salto, la terra vi rispedisce immediatamente indietro, non c'è nulla da fare. Ogni corpo dotato di massa ha la capacità di attrarre a sé altri corpi, seguendo delle semplici regole: la forza con cui il corpo riesce ad attrarre un altro corpo aumenta all'aumentare della sua massa e della massa dell'oggetto che attira a sé e diminuisce quanto più questo si allontana. Quel che abbiamo appena detto significa che è assolutamente inutile che provate ad attirare verso di voi lo smartphone allungando la mano, perché siete decisamente poco massivi perché accada. Inoltre più l'oggetto è distante e meno la forza sarà intensa. Stiamo spiegando questi semplici concetti che per alcuni saranno banali solo per introdurre un argomento più interessante e sempre attuale, ovvero come le sonde spaziali si muovono nello spazio e cambiano la loro traiettoria sfruttando l'attrazione gravitazionale di un pianeta o un satellite massivo.

Cerchiamo di capire la gravità della situazione

In linea di principio un effetto come quello della forza di gravità è abbastanza semplice da capire, ma in realtà ha più livelli di complessità di cui vi parleremo senza entrare troppo nello specifico. Sulla superficie terrestre la gravità assume la sua forma più semplice: l'accelerazione gravitazionale è pari circa a 9,81 metri al secondo quadro, e per ottenere la forza di gravità totale basta moltiplicarla per la massa che state considerando. Pesate 70 kg? La forza di gravità è pare a 70 kg x 9,81 m/(s^2) = 686,7 Newton (unità di misura delle forze). Fin qui è chiaro perché la forza dipende dalla massa dell'oggetto in questione, ma in questo caso non c'è l'informazione della massa dell'oggetto che vi sta attirando e della distanza alla quale vi trovate da questo. Questo perché l'oggetto che vi attira è la terra ed è possibile approssimare l'attrazione gravitazionale alla semplice moltiplicazione che vi abbiamo appena mostrato, che rimane abbastanza costante anche se vi trovate su una montagna altissima o sull'equatore piuttosto che ai poli. Ma allora quand'è che la forza dipende anche dalla distanza tra gli oggetti? Se vi allontanate con un razzo comincerete pian piano a sentire un'attrazione sempre più debole. Un altro esempio più eclatante nel nostro sistema planetario è il Sole e la forza che esercita nei confronti degli altri pianeti: a seconda della distanza di ciascun pianeta dal Sole sarà diversa la forza esercitata dal sole verso di essi. Mercurio è il pianeta che sente più di tutti quest'immensa forza, ed infatti gira più velocemente attorno alla stella compiendo un'orbita completa in poco più di due mesi terrestri, mentre Nettuno ha un periodo orbitale molto più basso e impiega quasi 165 anni terrestri a fare un giro completo della nostra stella. Se masticate un po' di inglese questo video vi fa capire come le orbite dei pianeti siano stabili attorno al Sole, in caso contrario le immagini sono comunque utili per darvi un'idea di come funzioni l'attrazione gravitazionale di oggetti in movimento.

Questa forza si estende molto al di là di tutti i pianeti e della Kuiper Belt, fino alla Oort Cloud (vi rimandiamo al nostro speciale sul sistema solare se non vi è chiara la sua suddivisione). Quella che vi abbiamo descritto fino ad ora è la gravità secondo la teoria fisica della meccanica classica, che risale a Newton. Einstein ha riformulato la visione della gravità che nella sua teoria diventa una distorsione dello spazio e del tempo causate da oggetti massivi. Piuttosto che spiegarlo a parole, un video riesce a chiarire un modo semplice di cosa stiamo parlando e di come l'effetto di questa distorsione spazio-temporale non sia troppo differente da quello che vi abbiamo spiegato fino ad ora.

Quello che dovete immaginarvi è che lo spazio viene letteralmente distorto dalla sola presenza di un oggetto massivo, esattamente come un pallone da calcio affonda su un lenzuolo sospeso in aria: questo implica che gli oggetti che si avvicinano "scivolano" in questa distorsione dello spazio-tempo.

Come viene sfruttata la gravità per direzionare le sonde spaziali

Se avete capito tutto fino ad ora, sarà molto semplice spiegare come la traiettoria delle sonde spaziali viene modificata sfruttando l'attrazione gravitazionale dei pianeti e dei satelliti. Quando la NASA ha spedito le due sonde Voyager nello spazio, non l'ha fatto "sparandole" dritte verso l'esterno del sistema solare: qualunque oggetto lanciato nel piano planetario deve per forza di cose obbedire a delle traiettorie dettate dai movimenti dei pianeti nelle vicinanze. Per questo hanno compiuto dei giri apparentemente strani che trovate nello speciale sull'anniversario dei 40 anni dell sonde Voyager. Nel prossimo video avrete un'idea chiara della spinta che i pianeti danno ad una sonda.

Non appena Voyager 1 e Voyager 2 passano "dietro" a Giove, vengono letteralmente buttate via ad una velocità maggiore in un'altra traiettoria. Quando invece passano in prossimità di Saturno, Voyager 1 devia il suo percorso verso "l'alto", mentre Voyager 2 continua la sua corsa nel piano planetario: in questo caso la prima sonda è stata fatta passare "sotto" Saturno per venire spinta verso l'altro, mentre la seconda è passata "dietro" al pianeta come nel caso precedente. L'effetto è lo stesso delle biglie nel video che mostra la distorsione spazio temporale: la biglia sta viaggiando e non appena si avvicina abbastanza ad un pianeta più grande subisce la sua attrazione gravitazionale, dunque cambia il suo percorso seguendo la curvatura per poi essere lanciata via in un'altra direzione. Nel caso delle sonde la loro velocità è abbastanza alta da fuggire dalla curvatura del pianeta, cosa improbabile per un oggetto più lento. Nel prossimo video trovate lo stesso viaggio precedente dal punto di vista di Voyager 2.

Questo meccanismo, unito all'inerzia, permette alle sonde di viaggiare nello spazio senza consumare molto carburante: dalla terra sarebbe troppo dispendioso vincere la gravità, dunque vengono impiegati dei razzi proprio per garantire la giusta spinta verso lo spazio, dove le sonde spaziali usano i propulsori solo in caso di necessità quando devono aggiustare un'orbita per correggere eventuali errori. L'idea è stata sfruttata ad esempio durante la missione Cassini usando Titano come vero o proprio carburante, che ha più volte garantito la giusta spinta alla sonda spaziale per cambiare la sua traiettoria ed esplorare la zona circostante di Saturno. Vi abbiamo parlato anche del primo oggetto interstellare che è entrato nel nostro sistema planetario, più o meno perpendicolare al piano dove risiedono i pianeti. In seguito l'asteroide/cometa è stato lanciato ad una velocità più alta nello spazio, in una direzione quasi parallela al piano dei pianeti.