Assenza di peso

L'assenza di peso è la condizione che sperimenta un corpo in caduta libera. Nella teoria newtoniana della gravitazione, un osservatore solidale con l'oggetto in caduta libera non è inerziale, le forze apparenti dovute alla non inerzialità del sistema di riferimento bilanciano la forza di gravità e la risultante delle forze è nulla. Viceversa, le moderne teorie della gravitazione (specificamente la Relatività generale) incorporano il principio di equivalenza; questo asserisce che non sia possibile distinguere tra forze gravitazionali e forze apparenti. In altri termini, nella descrizione relativistica la forza peso è essa stessa una forza apparente, e l'osservatore inerziale è quello in caduta libera.

Gli astronauti della Stazione Spaziale Internazionale forniscono un esempio di assenza di peso. In primo piano è visibile Michael Foale, mentre compie alcuni esercizi fisici.

Per esempio, un proiettile sparato da un cannone (nella misura in cui si può trascurare l'attrito dell'aria) è in caduta libera, così come una stazione spaziale (con i suoi abitanti) in orbita. Le linee di universo di questi oggetti, le cui proiezioni sullo spazio tridimensionale sono una parabola e un'orbita ellittica, sono geodetiche per la metrica spazio-temporale che rappresenta il campo gravitazionale attorno alla Terra.

Si può sperimentare l'assenza di peso in aereo se percorre una traiettoria parabolica che imiti quella di un oggetto in caduta libera. A tale scopo vengono usati velivoli specificatamente allestiti per questi voli, come ad esempio i Boeing 727-700 e C-9 della NASA.

Voli parabolici

I voli parabolici permettono di simulare l’assenza di peso utilizzando il metodo della caduta libera anche in presenza di atmosfera.

Il volo si divide idealmente in tre fasi.

1. l’aereo sale a 45°, per circa 30 s, con una forte accelerazione: i passeggeri sono schiacciati contro i loro sedili e il loro peso aumenta rispetto a quello misurato a terra in quanto alla forza di attrazione gravitazionale si aggiunge quella dovuta all'accelerazione dell'aereo in salita.
2. il pilota smette di alimentare i motori del velivolo. Da questo momento sia l'aereo sia i passeggeri sono soggetti alla sola forza di gravità. L'aereo continua a salire per qualche secondo, descrivendo una parabola: già in questa fase i passeggeri risentono dell'assenza di peso, perché sia essi sia l'aereo sono attratti dalla stessa forza gravitazionale. Una volta raggiunto il punto di massima altezza, l'aereo continua a descrivere la sua parabola, iniziando la fase di discesa in caduta libera verso terra per 20-30 sec: durante questa fase, i passeggeri fluttuano nell'aereo.
3. il pilota torna ad alimentare i motori, riprendendo il controllo dell'aereo e, dopo un certo intervallo, è pronto a ripetere il ciclo.

Nella realtà, poiché ci si muove all'interno dell'atmosfera terrestre, c'è da mettere in conto l'attrito che si manifesta sempre come una forza opposta alla direzione del moto, producendo quindi un peso, sia nel momento della salita che in quello della discesa.

Al fine di permettere una traiettoria simile a quella in caduta libera, il pilota dell'aereo è costretto a bilanciare la forza di attrito con i motori, permettendo quindi all'equipaggio del velivolo di subire un'attrazione gravitazionale quasi costante durante la fase di discesa e quindi una quasi totale assenza di peso.

Laboratorio volante di SpaceLand

Il Boeing 727-200 utilizzato per le missioni SpaceLand è uno dei velivoli utilizzati per le missioni aperte sia agli scienziati che al grande pubblico organizzate sin dall'anno 2000 da parte del team guidato dall'Ing. Carlo Viberti (veterano dei voli microgravitazionali, già responsabile per l'Agenzia Spaziale Europea degli apparati sperimentali italiani ed europei a bordo della stazione spaziale russa MIR e noto al pubblico televisivo delle trasmissioni scientifiche del sabato di RAI TV Gaia - Il pianeta che vive e Terzo pianeta per documentari trasmessi durante i voli sperimentali SpaceLand alla NASA con equipaggi di persone comuni). A bordo delle missioni SpaceLand si annoverano anche soggetti per prove bioingegneristiche fino a 93 anni di età (i più anziani al mondo in zero-g) e per prove di scienze della vita e test di tecnologia ICT a controllo virtuale, ad esempio la prima donna disabile della storia in zero-g per qualifica di un apparato computerizzato senza l'utilizzo delle mani, a supporto sia di astronauti che, a terra, di disabili ed anziani che non possono agire con i tradizionali "mouse" per interagire con i computer. Il velivolo usato da SpaceLand è l'unico a permettere anche missioni di ricerca e sviluppo aperte ai minorenni ed in condizioni di gravità propria di, rispettivamente, Luna e Marte e verrà utilizzato anche in Europa nella campagna di volo SpaceLand 2009-1. SpaceLand nel 2009, quale evento ufficiale dell'Anno Europeo della Creatività e dell'Innovazione, con il patrocinio di ESA, ASI (www.asi.it), Regione Sardegna, Università di Cagliari, Università di Sassari, Istituto Superiore di Sanità e vari altri enti ha organizzato in Sardegna il primo Expo-Congresso SpaceLand (21-22 settembre 2009) sulle valenze della sperimentazione medico-scientifica e tecnologica a bordo dei voli in gravità lunare, marziana ed in assenza di gravità. L'evento è stato compartecipato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca quale evento per la Divulgazione della Cultura Scientifica. Nel 2010, il secondo Expo-Congresso SpaceLand il 21-23 ottobre, sempre a Chia Laguna in Sardegna, beneficia dell'ulteriore patrocinio del Vice-Presidente della Commissione Europea Antonio Tajani.

Velivolo C-9 della NASA

Il C-9 della NASA, noto anche con il nome di Cometa del Vomito (denominazione data in realtà non solo al C-9 ma ad ogni tipo di velivolo in grado di rendere disponibile un ambiente con assenza di peso), ha base al Lyndon B. Johnson Space Center. Effettua voli parabolici producendo assenza di peso per periodi di circa 25 sec e con voli tipicamente di due ore, durante i quali vengono descritte 40 parabole.

Zero Gravity Corporation

Il G-Force One

La Zero Gravity è una azienda con sede a Vienna (Virginia). Utilizza una versione modificata del Boeing 727-200, ribattezzato G-Force One, che effettua voli parabolici simili a quelli della NASA.

Airbus A300 dell’Agenzia Spaziale Europea

L’Esa, l’Agenzia Spaziale Europea, effettua voli parabolici su una versione modificata degli Airbus A300, della compagnia francese Novespace, con base all'aeroporto di Bordeaux-Merignac. Su questo velivolo non possono salire minorenni, disabili ed anziani e non si possono realizzare sperimentazioni in condizioni di gravità ridotta simili a quella di Marte e della Luna.

Microgravità in senso stretto

Il termine Microgravità fa riferimento al fatto che anche là dove ci aspetteremmo idealmente una perfetta assenza di peso, ciò, di fatto, non avviene. In altre parole, anche in sistemi dove ci si attende che il peso sia nullo, si verificano in realtà piccoli scostamenti dalla condizione ideale che portano i corpi ad avere piccoli valori di peso.

Nel caso di una navicella spaziale in orbita intorno alla Terra, la microgravità può essere dovuta ai seguenti fattori.

• Essendo la Forza Gravitazionale radiale, accade che oggetti in orbita a differenti distanze dal centro della Terra, abbiano differenti velocità radiali. Questo implica che se una persona in orbita (la quale ha una sola velocità radiale) si mettesse con i piedi verso la Terra, i suoi piedi sarebbero attirati con più forza della sua testa, cfr. forze mareali.

• Tutti gli oggetti all'interno, avendo una massa, si attraggono a vicenda, se la massa è localizzata (non siamo nelle condizioni del Teorema di Gauss), questa può generare una risultante non nulla e quindi può essere misurabile.

• Anche se molto rarefatta, l'atmosfera non è esattamente nulla tra i 185 e i 1000 km di altezza e questo comporta una decelerazione a causa dell'attrito. Questa situazione viene percepita come un peso nella direzione del moto.

• I corpi all'interno della navicella spaziale si trovano ad avere un loro piano orbitale. Per piano orbitale si intende ovviamente il piano che contiene la traiettoria descritta dal corpo. Il piano orbitale della navicella spaziale è quello che passa per il centro della Terra e che contiene la sua traiettoria orbitale. I corpi che stanno "sopra" vengono ad avere un loro piano orbitale parallelo e sovrastante il piano orbitale della navicella spaziale, mentre, per contro, quelli che stanno "sotto" vengono ad avere un loro piano orbitale parallelo e sottostante il piano orbitale della navicella spaziale. I corpi non vincolati alla struttura e quindi liberi di fluttuare, che si trovano fuori dal piano ideale dato da quello della navicella spaziale, si dirigono verso tale piano, ossia si dirigono verso il piano di mezzeria dell'astronave. Anche in questo caso sui corpi "fuori piano" viene a materializzarsi un tiraggio, percepito come peso.

Il simbolo µg, con il quale si indica la microgravità, è stato usato nello stemma della sciagurata missione STS-107 dello Space Shuttle Columbia: la missione aveva per obiettivo l'effettuazione di ricerche sulla microgravità.

Effetti sull'organismo

Accentuata ancora di più dalla messa in opera di stazioni orbitanti che possono essere abitate per lunghi periodi di tempo dagli esseri umani, l'esposizione all'assenza di peso ha rivelato alcuni effetti nocivi sulla salute. L'uomo si è ben adattato alle condizioni di vita sulla Terra: in assenza di peso, però, certi sistemi fisiologici cominciano ad alterarsi e ciò può causare problemi per la salute di carattere temporaneo o anche di lungo termine.

I primi fenomeni a cui va incontro l'uomo, trascorso il primo paio di ore in assenza di peso, vanno sotto il nome di Sindrome da Adattamento allo Spazio o SAS, più comunemente denominata mal di spazio. I sintomi comprendono nausea, mal di testa, letargia, vomito e malessere diffuso. Il primo caso fu riportato dal cosmonauta Gherman Titov nel 1961. Da allora circa il 45% delle persone che si è trovata in assenza di gravità ha sofferto questa condizione iniziale. La durata del mal di spazio varia, ma in nessun caso supera le 72 ore: dopo questa fase, gli astronauti si abituano al nuovo ambiente. La NASA misura la SAS utilizzando la scala Garn, dal nome del senatore statunitense Jake Garn, la cui SAS fu così pronunciata durante la missione STS-51-D dello Space Shuttle Discovery da raggiungere il livello 13 di tale scala.

Gli effetti più significativi di una protratta assenza di peso sono l'atrofia muscolare e il deterioramento dello scheletro, noto anche come osteopenia da spazio: questi effetti possono essere minimizzati con l'esercizio fisico. Altri effetti significativi comprendono la ridistribuzione dei fluidi, il rallentamento del sistema cardiovascolare, una ridotta produzione di globuli rossi, disfunzioni dell'equilibrio e un indebolimento del sistema immunitario. Sintomi minori comprendono perdita di massa corporea, congestione nasale, disturbi del sonno, eccessiva flatulenza e rigonfiamento facciale. Questi effetti sono reversibili una volta tornati sulla Terra.

Molte delle condizioni causate dall'esposizione all'assenza di peso sono simili a quelle risultanti dall'invecchiamento. Gli scienziati ritengono che gli studi sugli effetti nocivi causati dall'assenza di peso possano rivelarsi utili in ambito medico, portando a un possibile trattamento dell'osteoporosi e a un miglioramento nelle cure per i malati costretti a letto e per gli anziani.

Voci correlate

• Caduta libera
• MiGFlug Gravita Zero in Russia
• Principio di equivalenza
• Moto parabolico
• Orbita
• Forza di gravità
• Forza peso
• SpaceLand
• Medicina spaziale

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