Se hai mai visto un film o un documentario ambientato nello spazio, probabilmente hai notato che gli astronauti sembrano fluttuare liberamente, senza alcuna forza che li tenga a terra. Questo fenomeno è spesso chiamato zero-G, come se la gravità nello spazio non ci fosse. Ma è davvero così? C’è davvero un posto nell’universo dove la gravità non esiste? E se no, perché gli astronauti fluttuano?
In questo articolo, cercheremo di rispondere a queste domande, spiegando cosa sia la gravità, come funziona e come si manifesta la gravità nello spazio. Vedremo anche come gli astronauti sfruttano la gravità nello spazio per entrare in orbita e come si adattano alla vita in condizioni di microgravità.
Infine, scopriremo quali sono gli effetti della microgravità sulla salute e sul benessere degli astronauti e quali sono le sfide e le opportunità che offre per la ricerca e l’esplorazione spaziale.
Cos’è la gravità?
La gravità è una delle quattro forze fondamentali dell’universo, insieme alla forza elettromagnetica, alla forza nucleare forte e alla forza nucleare debole. Queste forze sono responsabili di tutte le interazioni tra le particelle e i corpi che compongono la materia. La gravità è la forza che attrae due oggetti che hanno massa, come la Terra e la Luna, o il Sole e i pianeti.
La gravità è anche la forza più debole tra le quattro, ma non ce ne accorgiamo perché la gravità si somma. Più un corpo è massiccio, maggiore è la sua attrazione gravitazionale. Per questo, la gravità della Terra è molto più forte di quella di una palla da tennis, anche se entrambe hanno massa. La gravità del Sole, invece, è molto più forte di quella della Terra, perché il Sole è molto più massiccio.
La gravità segue le regole descritte da Albert Einstein nella sua teoria della relatività, ma il suo funzionamento si può con discreta approssimazione descrivere con una legge matematica chiamata legge di gravitazione universale, formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. Questa legge dice che la forza gravitazionale tra due oggetti è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. In altre parole, la gravità aumenta se le masse aumentano o se la distanza diminuisce, e viceversa.
La formula matematica che esprime questa legge è la seguente:
Dove:
- è la forza gravitazionale tra i due oggetti, misurata in newton (N);
- è la costante di gravitazione universale, che vale circa (N*m²)/kg²;
- e sono le masse dei due oggetti, misurate in chilogrammi (kg);
- è la distanza tra i centri dei due oggetti, misurata in metri (m);
Questa formula ci permette di calcolare la forza gravitazionale tra qualsiasi coppia di oggetti, a patto di conoscere le loro masse e la loro distanza. Ad esempio, possiamo calcolare la forza gravitazionale tra la Terra e la Luna, sapendo che la massa della Terra è circa kg, quella della Luna è circa kg e la distanza media tra le due è circa m. Sostituendo questi valori nella formula, otteniamo
Questo significa che la Terra e la Luna si attraggono con una forza di circa newton, che è enorme. Ma perché non vediamo la Luna cadere sulla Terra, o la Terra cadere sul Sole? La risposta è che la gravità non è l’unica forza che agisce su questi corpi. C’è anche una forza che li spinge a muoversi lateralmente, chiamata forza centrifuga, una forza proporzionale alla massa, alla velocità e al raggio dell’orbita di un oggetto.
La forza centrifuga è la forza che sentiamo quando siamo in una macchina che gira, o in una giostra che ruota ed è la forza che ci spinge verso l’esterno, lontano dal centro della curva o della rotazione, inoltre la forza centrifuga è anche la forza che bilancia la gravità e permette agli oggetti di rimanere in orbita.
Se la forza centrifuga è uguale e opposta alla forza gravitazionale, l’oggetto si muove in un’orbita circolare, mentre se questa è maggiore o minore della forza gravitazionale, l’oggetto si muove in un’orbita ellittica. Se la forza centrifuga è molto maggiore della forza gravitazionale, l’oggetto sfugge all’orbita e si allontana nello spazio.
Come si ottiene l’assenza di gravità nello spazio?
Da quanto abbiamo visto, la gravità nello spazio non scompare mai, in nessun punto. Allora, perché gli astronauti fluttuano? La risposta è che gli astronauti non sono veramente senza peso, ma sono in caduta libera. La caduta libera è lo stato di un corpo che cade sotto l’effetto della sola gravità, senza altre forze che la contrastino.
Un esempio di caduta libera è quello di un paracadutista che salta da un aereo, prima di aprire il paracadute. In quel momento, il paracadutista non sente il suo peso, ma solo la gravità che lo attrae verso il basso.
Gli astronauti sono in caduta libera perché si trovano in orbita attorno alla Terra, come i satelliti o la Luna. Per entrare in orbita, gli astronauti devono raggiungere una certa velocità, che dipende dall’altitudine e dalla forma dell’orbita, ad esempio per entrare in un’orbita circolare a 400 km di altitudine, come quella della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), gli astronauti devono viaggiare a circa 7.8 km/s, ovvero circa 28.000 km/h.
A questa velocità, gli astronauti cadono verso la Terra, ma si muovono anche lateralmente, mancando sempre il nostro pianeta, e l’equilibrio tra la forza gravitazionale e la forza centrifuga fa sì che gli astronauti rimangano in orbita, senza avvicinarsi o allontanarsi dalla Terra.
Quando gli astronauti sono in orbita, non sentono il loro peso, perché le forze che agiscono su di loro sono approssimativamente bilanciate, nonostante ciò, la gravità nello spazio è ancora presente, e varia in base alla distanza dalla Terra. Più gli astronauti si avvicinano alla Terra, più la gravità nello spazio aumenta.
Più gli astronauti si allontanano dalla Terra, più la gravità nello spazio diminuisce, e questa variazione crea delle differenze di forza tra le varie parti del corpo e degli oggetti, chiamate forze di marea. Le forze di marea sono responsabili delle maree sulla Terra, causate dalla gravità della Luna e del Sole; nello spazio, le forze di marea possono causare dei fenomeni curiosi, come la formazione di gocce sferiche di liquido, o la levitazione di piccoli oggetti.
La caduta libera nello spazio è quindi diversa dalla vera assenza di gravità, che si verifica solo in un punto teorico chiamato punto di Lagrange. Un punto di Lagrange è un punto nello spazio dove la gravità di due corpi celesti si annulla, creando una zona di stabilità. Ci sono cinque punti di Lagrange per ogni coppia di corpi, ma solo due di essi sono stabili: il punto L4 e il punto L5.
Questi punti di Lagrange si trovano sui vertici di due triangoli equilateri, uno che precede e uno che segue il pianeta minore lungo la sua orbita attorno al pianeta maggiore, ad esempio, ci sono due punti di Lagrange stabili tra la Terra e il Sole, uno a circa 150 milioni di km davanti alla Terra e uno a circa 150 milioni di km dietro la Terra.
In questi punti, la gravità della Terra e del Sole si annulla, e un oggetto può rimanere fermo rispetto alla Terra, senza cadere o sfuggire; questi punti sono ideali per posizionare dei satelliti di osservazione, come il telescopio spaziale James Webb, lanciato nel 2021 e posizionato nel punto L2 tra la Terra e il Sole.
Come si vive in microgravità?
La vita in microgravità presenta delle sfide e delle opportunità per gli astronauti e per la ricerca spaziale. Da un lato, la microgravità permette di svolgere delle attività che sarebbero impossibili o difficili sulla Terra, come camminare sulle pareti, fare capriole in aria, o manipolare dei fluidi senza contenitori.
La microgravità offre anche la possibilità di studiare dei fenomeni fisici, chimici e biologici in assenza di peso, come la formazione dei cristalli, la combustione, o la crescita delle piante. Questi studi possono portare a delle scoperte scientifiche e a delle applicazioni tecnologiche utili per la società.
Dall’altro lato, la microgravità comporta dei rischi e dei problemi per la salute e il benessere degli astronauti e per il funzionamento delle attrezzature. La microgravità provoca dei cambiamenti fisiologici negli astronauti, come la perdita di massa muscolare e ossea, la riduzione del volume del sangue, la diminuzione della pressione arteriosa, l’alterazione del sistema immunitario, e la compromissione della vista.
Per prevenire o limitare questi effetti, gli astronauti devono seguire una dieta equilibrata e un programma di esercizio fisico regolare, che richiede circa due ore al giorno.
La microgravità causa anche dei disturbi psicologici negli astronauti, come lo stress, l’ansia, la depressione, l’insonnia, e il senso di isolamento. Per affrontare questi problemi, gli astronauti devono mantenere una buona comunicazione con i loro colleghi e con le loro famiglie, e avere delle attività ricreative e di svago.
La microgravità influisce anche sul funzionamento delle attrezzature, come i sistemi di ventilazione, di raffreddamento, di alimentazione, e di smaltimento dei rifiuti. Per garantire la sicurezza e l’efficienza delle operazioni, gli astronauti devono monitorare e controllare costantemente questi sistemi, e intervenire in caso di guasti o anomalie.
In questo articolo, abbiamo visto cosa sia la gravità, come funziona e come si manifesta nello spazio. Abbiamo scoperto che la gravità nello spazio non scompare mai, ma gli astronauti fluttuano perché sono in caduta libera, tra l’altro abbiamo anche visto come la microgravità sia una condizione che offre delle opportunità e delle sfide per gli astronauti e per la ricerca spaziale.
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