Andare nello spazio o in orbita ?

Il cannone di Newton

Immagina di essere in cima a una montagna, e di puntare un immaginario cannone in orizzontale.

Spara una palla di cannone, con una carica che genera una piccola spinta. Cosa succede ? Che la palla, cadrà a poca distanza. (A)

Ok: ora aumenta la potenza: la palla cadrà più distante. (B)

Man mano che aumenterai la potenza, cadrà sempre più distante ma inizierai a comprendere due cose: se arrivi a farla cadere dall'altra parte del mondo, con buona pace dei terrapiattisti questo significa che ha compiuto una traiettoria "curva". Anche nei primi due casi: la palla di cannone non va "dritta" perché la sua traiettoria viene deviata dalla gravità.

Bene, immagina ora di sparare una cannonata così potente che arriva a fare il giro della terra, fino a quasi cadere alle tue spalle. In ogni caso, "cadrà", perché per quanto potente possa essere la cannonata, la palla deve contrastare l'attrito con l'aria.

Ok: allora immaginiamo di farlo da una montagna così alta che è fuori dall'atmosfera: non c'è più niente a frenare la palla. Anche in questo caso, cadrà sulla terra a causa della gravità (A) (B) a meno che tu non la spari così velocemente che la sua forza centrifuga sia in grado di compensare la gravità (stiamo parlando di fisica "newtoniana", ok ? Non tiriamo in ballo la relatività in questa chiacchierata), e quindi compiendo un giro si ritroverà alla stessa altezza e stessa velocità con la quale l'hai lanciata: ecco, quella palla sarà "in orbita" ! (C)

Immagina ora di lanciarla ancora più velocemente: rimarrà comunque in orbita, con la differenza che compierà una orbita ellittica (D)

Bene: che succede ora se la lanciamo molto, molto più velocemente ?

La palla, avrà raggiunto la "velocità di fuga", quella in base alla quale la gravità non riesce a deviare il suo percorso abbastanza da farla ricadere sulla terra.

Abbiamo capito quindi due cose:

1) Essere "in orbita" non è questione di "altitudine", ma di velocità

Normalmente associamo l'idea di essere in orbita col fatto di essere nello spazio: si, perchè nello spazio non c'è l'atmosfera a frenare l'orbita. Sulla Luna ad esempio, data l'assenza di atmosfera e una gravità molto inferiore, è possibile "orbitare" a una distanza dal suolo molto più bassa, teoricamente anche ad altezza suolo.

"lo spazio" inizia convenzionalmente a circa 100Km di altitudine rispetto alla terra. La linea di Kármán è una convenzione, non è che ci sia una vera linea di confine, ma a quella altitudine l'atmosfera è così rarefatta da essere quasi inesistente; tuttavia anche a 400Km di distanza, dove normalmente orbitano i satelliti, l'atmosfera è ancora presente: finissima, praticamente il vuoto, ma col tempo è sufficiente a frenare i satelliti: anche la ISS, ha bisogno di periodiche "spintarelle" per recuperare la velocità che lentamente perde, e rimanere in orbita; senza di queste spintarelle, rallenterebbe e cadrebbe. Per "deorbitare" qualcosa infatti, è sufficiente rallentarlo.

...e no, se sei in orbita non sei in "assenza di gravità" !

Quando vediamo gli astronauti fluttuare senza peso all'interno della stazione spaziale internazionale, non sono in "assenza di gravità" ! Sappiamo che la gravità è un fenomeno proporzionale con la distanza, si, ma anche alla distanza nella quale orbita la ISS, la gravità è praticamente uguale a quella sulla terra !

Allora perchè fluttuano senza peso ? Perchè sono in "caduta libera", solo che questa caduta è, diciamo, perpetua.

Se tu ti ritrovassi dentro un ascensore che sta precipitando, sperimenteresti esattamente la stessa cosa che vivono gli astronauti sulla ISS: fluttueresti nell'aria. Certo: poco prima di morire. Ci sono modi migliori e rimanendo vivo: ad esempio ci sono aerei che vengono usati per ricreare queste condizioni, per l'addestramento degli astronauti ma anche per turisti facoltosi.

2) Per andare oltre, sulla luna o nello spazio profondo, serve "più velocità"

Aumentando, di molto, la velocità arrivi alla "velocità di fuga", che chiaramente dipende dalla attrazione gravitazionale, che varia a seconda di dove vuoi "fuggire".

Per uscire dall'orbita terrestre, devi andare almeno a circa 40.000Km/h
Per la Luna, ti bastano 8.200Km/h
Per Giove, oltre 210.000Km/h

Per riuscire ad accelerare un razzo in grado di portare gli uomini su Marte, è necessaria una potenza mostruosa in confronto a quella di un vettore in grado di posizionare un satellite, perché

ti serve molta più velocità
hai un "carico" molto maggiore (passeggeri, attrezzature, tutto quello che serve a sostenere la vita per un lungo viaggio, quello che ti serve per frenare, "ammartare", ripartire e atterrare)

hai anche il problema di un limite di accelerazione (non puoi accelerare le persone come fossero proiettili, non sopravviverebbero) e questo complica ancora le cose

Dice il proverbio: "Chi va piano, va sano e va lontano"...

Non vale per i razzi.

Cosa mi impedisce di andare in orbita, salendo piano piano ?

Ricorda che per essere in orbita, non è questione di altitudine ma di velocità. Quindi devi per forza raggiungere la velocità orbitale per una distanza minima che ti mette al di fuori dell'atmosfera. Altrimenti, cadi.

OK, e cosa mi impedisce di andare verso un altro pianeta, andando piano piano ?

La gravità ti frena per tutto il tempo, quindi se fai un razzo che sale "piano piano", semplicemente avrai bisogno di una quantità enorme di combustibile, sarà un razzo enorme e insensato, e per quanto combustibile tu possa avere, prima o poi finirà... e se in quel momento non avrai raggiunto la velocità di fuga... cadrai.

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