da Michael J. I. Brown , La Conversazione
Dai un’occhiata alla luna e non è difficile immaginarla come un pianeta. Una sfera di roccia di 3.476 chilometri di diametro, con pianure di basalto e catene montuose, la cui attrazione gravitazionale produce maree qui sulla Terra.
Nonostante la sua vasta massa e l’attrazione gravitazionale, la luna fa un ottimo lavoro per non cadere sulla Terra. Perché? Perché la luna è in orbita.
I concetti di gravità e orbite sono stati sviluppati nel corso dei secoli da figure leggendarie della scienza, tra cui Galileo Galilei, Johannes Keplero, Isaac Newton e Albert Einstein.
I satelliti in orbita vengono abitualmente utilizzati per la comunicazione, l’imaging e la navigazione, ma molte persone non capiscono come questi satelliti rimangano nello spazio.
Andare di lato
Un malinteso comune sui viaggi spaziali e l’assenza di peso è che derivano da un’assenza di gravità. Mentre l’attrazione gravitazionale dalla Terra diminuisce man mano che si va oltre nello spazio, non scompare mai del tutto. Lascia andare una palla a 100.000 km sopra la Terra e gradualmente cade.
In che modo satelliti e lune si fermano dallo schianto? Andando di traverso.
Newton potrebbe non essere stato divertente alle feste, ma potrebbe creare un esperimento mentale di cracking. Per illustrare il movimento dei satelliti, ha creato il Cannone di Newton.
Quando si spara un cannone orizzontalmente sulla Terra, la palla di cannone va una certa distanza come cade a terra. Sparare la palla di cannone più veloce fuori del cannone e viaggerà ulteriormente intorno alla Terra prima di schiantarsi.
Che cosa succede se si potrebbe sparare la palla di cannone ad una velocità incredibile di 8 chilometri al secondo? La palla di cannone seguirebbe la curvatura della Terra, essendo tirata verso la Terra per gravità ma senza mai raggiungere il suolo.
Almeno lo sarebbe nell’esperimento mentale di Newton, senza resistenza aerea e un cannone magicamente potente.
Salendo
Il cannone di Newton rimane un esperimento mentale, ma nel 20 ° secolo divenne finalmente possibile viaggiare a velocità di 8 chilometri al secondo. Non con i cannoni, ma con i razzi.
Oltre ad essere più comodo di un cannone, un razzo può viaggiare oltre 100 chilometri di altitudine e quindi accelerare a 8 chilometri al secondo nel vuoto dello spazio. A quella velocità ci vogliono solo 90 minuti per circumnavigare il globo.
Una volta in orbita, i motori a razzo possono essere spenti e un veicolo spaziale può costeggiare intorno alla Terra. È un mito fantascientifico che i veicoli spaziali si tuffino dall’orbita quando i loro motori sono spenti.
L’atmosfera terrestre ad altitudini comprese tra 100 e 1.000 chilometri è eccezionalmente sottile, quindi ci vogliono da giorni a anni per trascinare una navicella sulla Terra.
Se sei all’interno di una navicella spaziale, in alto sopra il mondo, la gravità tirerà su di te e la tua navicella spaziale, eppure saresti senza peso.
L’assenza di peso si verifica ogni volta che si viene tirati liberamente dalla gravità, senza resistenza (da una superficie o dall’aria). L’assenza di peso può essere avvertita anche senza percorrere 8 chilometri al secondo, in cima a un salto o all’inizio di un’immersione.
Andare più in alto
Cosa succede se si accendono i razzi, accelerando ad una velocità di 10 chilometri al secondo? Invece di seguire la curvatura della Terra, il tuo veicolo spaziale seguirà un percorso che lo porta lontano dalla Terra.
Mentre il veicolo spaziale si allontana dalla Terra, inizierà a rallentare, sia verticalmente che orizzontalmente (a causa della conservazione del momento angolare). Alla fine raggiungerà un’altitudine massima (apogeo) e ripiegherà verso la Terra, accelerando come fa.
Il processo ora si inverte, con il veicolo spaziale che riprende velocità fino a raggiungere un’altitudine minima (perigeo). Il processo si ripete quindi, con la navicella spaziale che traccia un’ellisse attorno alla Terra.
Cosa succede se si riaccendono i razzi, accelerando ad una velocità di 11 chilometri al secondo? Ora le cose si fanno interessanti.
Il tuo veicolo spaziale viaggerà lontano dalla Terra e sarà rallentato dalla gravità, ma l’attrazione gravitazionale della Terra scende così rapidamente che non ti fermerà mai del tutto. Il vostro veicolo spaziale lascerà le vicinanze della Terra, a vagare attraverso il nostro sistema solare.
Stare fermi
Mentre alcuni satelliti sfrecciano in tutto il mondo in 90 minuti, altri non sembrano muoversi affatto. I satelliti meteo e televisivi sembrano librarsi sopra l’equatore.
Questi satelliti sono in orbite geostazionarie. Quando si orbita più lontano dalla Terra, la velocità richiesta per rimanere in orbita diminuisce e il tempo necessario per completare un’orbita aumenta.
A quasi 36.000 km di altitudine, un’orbita impiega un giorno intero per circondare la Terra. Mentre la Terra gira sul suo asse una volta al giorno, anche questi satelliti appaiono fissi in posizione dalla nostra prospettiva (rotante) legata alla Terra.
Vai ancora più lontano dalla Terra e le orbite richiedono ancora più tempo. La luna è un satellite naturale a 384.000 km dalla Terra e impiega poco più di 27 giorni per completare una singola orbita. Anche se la luna viaggia un chilometro ogni secondo verso est, sulla Terra che gira la luna sorge a est e tramonta a ovest.
Passando da
Possiamo effettivamente vedere i satelliti che passano sopra la testa prima dell’alba e dopo il tramonto, mentre riflettono la luce solare verso di noi.
Alcuni satelliti seguono la rotazione della Terra e si spostano da ovest a est. Altri hanno orbite che li portano sopra i poli e viaggiano da nord a sud o da sud a nord.
Scegli la notte giusta e vedrai la massiccia ma senza peso Stazione Spaziale internazionale mentre circonda il globo.
Silenziosamente i satelliti passano in testa, impiegando alcuni minuti per viaggiare da orizzonte a orizzonte. A noi il loro passaggio sembra abbastanza sereno, anche se percorrono molti chilometri al secondo ad altitudini di centinaia di chilometri.