Da sempre gli uomini si interrogano sull'origine e sui moti dei pianeti. Alcune risposte sono arrivate fin dal XVI secolo con i grandi fisici dell'epoca, in particolare Giovanni Keplero a Isaac Newton.

La fisica ha fatto dei passi da gigante grazie agli studi di questi scienziati, dimostrando che i pianeti orbitano intorno al Sole ed esercitano una forza centripeta per realizzare dei movimenti circolari. Le ricerche sul nostro sistema solare continuano ad andare avanti.

Non smetteremo mai di cercare di capire le nostre origini e quelle del mondo che ci circonda. Per questo la fisica occupa un posto importante nella formazione di ogni individuo. La meccanica classica, infatti, è parte integrante del programma scolastico di fisica.

Cerchiamo di capire quali sono le leggi che governano la terra, a partire dalla legge di gravitazione universale.

Introduzione alla gravitazione universale

La forza di gravità è un concetto fisico, non ancora misurato.
Esiste una forza di attrazione tra i corpi, detta forza gravitazionale!

La legge di gravitazione universale è stata ideata dal genio della fisica Isaac Newton, noto anche per i principi di dinamica, o leggi di Newton. Secondo questa teoria che ha segnato la storia della meccanica esiste una una forza di attrazione tra due corpi che possiedono o una massa e questa forza gravitazionale e attrattiva agisce tramite una linea immaginaria che lega i corpi.

Questa teoria è usata per spiegare l'attrazione da qualunque tipo di corpi, indipendentemente dalla loro massa.

Attraverso lo sviluppo della legge di gravitazione universale è stato possibile definire il raggio delle orbite planetarie, la massa e i raggi di pianeti e stelle, gli eventi astronomici e anche il passaggio di asteroidi.

Puoi vedere le foto dello spazio sul sito dell'Agenzia spaziale italiana.

L'accelerazione di gravità e la costante di gravitazione universale

Gli studi sul moto dei pianeti sono partiti dall'osservazione. Guardando la Luna, Newton è arrivato alla conclusione che la forza che la fa rimanere in orbita è la stessa forza che la Terra esercita sui corpi.

La legge di gravitazione universale di Newton afferma che due corpi dotati di massa si attraggono con una forza direttamente proporzionale al prodotto delle rispettive masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa.

Per questo, l'accelerazione di gravità varia a seconda della distanza dal pianeta Terra. Allo stesso modo, l'altitudine del corpo che si trova sulla Terra altera il valore dell'accelerazione della gravità.

Il Monte Everest, per esempio, ha un'altitudine di oltre 8,8 Km e l'accelerazione di gravità è 9,79 m/s², ai due poli è di 9,83 m/s². Per gli esercizi scolastici, in genere si usa il valore medio dell'accelerazione che è 9,81 m/s². Un satellite artificiale che è 35.700 km di distanza ha un'accelerazione di gravità di 0,225 m/s².

La costante gravitazionale, misurata da Cavendish, rimane invece invariata in ogni punto dell'universo e non dipende né dalla massa, né dal luogo!

Scopri cosa studia la fisica meccanica!

Le leggi di Keplero

Quando gli esseri umani hanno iniziato le prime coltivazioni è aumentata l'esigenza di capire quali periodi dell'anno erano più indicati per la semina e la raccolta. Giovanni Keplero (1571-1630) è stato uno dei più influenti studiosi che si sono occupati di capire i cicli della terra osservando il cielo.

Fin dall'antichità gli essere umani hanno capito che gli astri facevano dei movimenti regolari e che da questi dipendevano le condizioni climatiche e in generale la vita sulla terra.

L'idea prevalente dall'Antica Grecia fino al rinascimento, da Aristotele a Tolomeo, è stata che il Sole e altri pianeti girassero intorno alla Terra. Keplero sosteneva che era esattamente il contrario: erano la Terra e gli altri pianeti a girare intorno al Sole, abbracciando la visione eliocentrica che era stata avanzata da Nicolò Copernico nel XVI secolo.

Un secolo dopo, Giovanni Keplero scoprì la relazione tra i moti dei pianeti e i loro astri, elaborando tre leggi che ancora oggi usiamo per comprendere meglio il funzionamento dell'universo. Le leggi di Keplero, sono state dimostrate grazie al contributo di Newton con la legge di gravitazione universale.

Prima legge di Keplero

Le teorie di Keplero sono state confermate da Newton.
La legge di gravitazione universale conferma la prima legge di Keplero!

La prima legge di Keplero dimostra che la forma delle orbite dei pianeti che ruotano attorno al Sole sono ellittiche. Il Sole rappresenta uno dei due fuochi dell'ellissi, una figura dove la somma delle distanze tra i due fuochi è sempre uguale. Il punto di minima distanza dal Sole si chiama perilio e quello di massima distanza si chiama afelio.

Seconda legge di Keplero

La seconda legge di Keplero afferma che il raggio vettore che unisce il centro del Sole a un pianeta orbitante traccia aree uguali a intervalli di tempo uguali. In altri termini, il rapporto tra l'intervallo di tempo e la variazione della distanza  è costante. Questo rapporto si chiama velocità orbitale del pianeta.

Considerando il piano ellittico, il raggio vettore può essere descritto come una lancetta che va dal Sole al pianeta orbitante. Nella stessa unità di tempo, l'area che traccia questa lancetta è sempre la stessa, anche se il pianeta si trova nel punto più distante dal Sole, l'afelio.

Terza legge di Keplero

La terza legge di Keplero definisce il rapporto tra le traiettorie dei pianeti e il raggio del sole. L'enunciato è che "il rapporto tra il cubo del semiasse maggiore dell'orbita e il quadrato del periodo di rivoluzione è lo stesso per tutti i pianeti."

Il periodo è la distanza di tempo più breve in cui si verifica un fenomeno.

Queste nozioni di meccanica classica fanno parte del programma di fisica alle superiori come la statica e l'idrostatica.

La gravitazione universale e la terza legge di Keplero

La forza gravitazionale spiega come ci muoviamo sulla Terra e come gli altri pianeti si muovono intorno al Sole.
La forza gravitazionale è fondamentale per il nostro pianeta e l'universo!

La legge di gravitazione universale è riuscita a dimostrare le teorie di Keplero. Lo studioso tedesco aveva ipotizzato che l'orbita dei pianeti fosse ellittica, ma non era riuscito a dimostrare perché. La domanda principale rimasta irrisolta fino a Newton era: quali forze agiscono sui pianeti?

Newton riuscì a trovare le risposte a partire dallo studio della Luna. Ipotizzò che la forza che la Terra esercita sui corpi, doveva essere la stessa che la Terra esercitava sulla Luna.

La legge di gravitazione universale stabilisce un rapporto preciso tra questa forza, la massa e la distanza dei corpi. Riprendendo le teorie di Keplero, lo studioso inglese riuscì a dimostrare che l'intensità di questa forza dipende da due fattori:

  • la massa dei corpi, in questo caso la massa dei pianeti e del Sole
  • la distanza tra questi corpi

Il principio di azione e reazione, stabilisce anche che due corpi si attraggono reciprocamente, con una forza uguale e contraria.

Cosa studia la cinematica?

Chi ha scoperto la gravitazione universale?

Corre leggenda che la legge di gravitazione sia stata intuita da Newton per caso. Mentre era sdraiato sotto un albero gli cadde una mela in testa e da quel momento cominciò a interrogarsi sul motivo per cui i corpi cadono verso il basso.

Il maggiore contributo di Newton è stato quello di capire che esiste una forza di attrazione tra tutti i corpi, anche i pianeti. In questo senso la legge di gravitazione è universale.

La Terra attrae verso di sé i corpi che si trovano sulla sua superficie, così come succede ad altri corpi celesti.

Applicando la legge di gravitazione al nostro sistema solare, più un corpo è vicino al Sole e più sente la sua forza di gravitazione e più aumenta la sua velocità. Per questo più i pianeti sono lontani dal Sole più lentamente percorreranno la loro orbita.

La meccanica classica nel programma scolastico di fisica

Alle superiori impari a conoscere le basi della meccanica classica.
La fisica meccanica è una parte importante del programma scolastico!

La fisica è parte integrante del sistema scolastico, soprattutto alle superiori. Alla fine della scuola, ogni studente deve conoscere le leggi di base che regolano il funzionamento del nostro pianeta e dell'universo in generale.

Tutto questo sarebbe impossibile da capire senza la dinamica e le leggi di Newton e Keplero. Per chi frequenta il liceo scientifico, poi, la fisica è una materia fondamentale insieme a matematica. Per questo la seconda prova scritta agli esami di maturità è dedicata proprio alla matematica e alla fisica.

I maturandi hanno un problema e quattro quesiti da affrontare, applicando le nozioni e le formule imparate durante l'anno.

Andare bene alla prova di matematica e fisica alla maturità è anche un vantaggio per chi si vuole iscrivere alla facoltà di fisica. Prima dell'iscrizione, infatti, bisogna superare un test di autovalutazione che verifica le conoscenze scientifiche degli aspiranti fisici.

Anche se la facoltà di fisica non è a numero chiuso, questo test è molto importante perché decide quali saranno gli esami prioritari per il primo anno.

Per esempio, se non superi il punteggio minimo della prova di matematica, partirai con degli obblighi formativi e dovrai recuperare entro le date previste dalla tua facoltà.

La fisica è una scienza fondamentale che ci aiuta a capire i fenomeni naturali che ci circondano e che viviamo tutti i giorni, proprio come la caduta libera di un oggetto e la forza di gravitazione universale!

Bisogno di un insegnante di Fisica?

Ti è piaciuto l'articolo?

5,00/5, 1 votes
Loading...

Catia

Traduttrice e scrittrice con una passione per le lingue