Assenza di peso

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Il peso di un oggetto (peso reale) è la misura della forza gravitazionale agente sull'oggetto stesso. D'altrocanto il peso apparente di un oggetto è la misura della forza (di reazione e/o vincolare) che si oppone all'accelerazione che l'oggetto altrimenti avrebbe risentito, prevenendone la caduta.

Il peso reale dipende esclusivamente dalla Forza Gravitazionale e non dalla presenza di altre forze (apparenti, di galleggiamento ecc...). Il peso apparente è invece la misura che si ottiene tipicamente da una bilancia a molla, o un dinamometro.

Un dinamometro, strumento utilizzato per misurare le forze

Tranne in casi specifici in questa trattazione utilizzeremo esclusivamente la definizione di peso apparente.

L'assenza di peso è la condizione per cui la misura della forza gravitazionale sia nulla. Questo può avvenire essenzialmente in tre casi:

La forza gravitazionale (o la sua risultante) è nulla (in questo caso è il peso reale ad essere nullo)

Il sistema di riferimento in cui viene effettuata la misura è in caduta libera, quindi localmente inerziale

L'oggetto in questione è soggetto ad altre forze (quali: centrifuga, di galleggiamento o anche magnetica), che possono ridurre o anche annullare il peso apparente.

[modifica] Introduzione

A stretto rigore si possono usare i termini di "assenza di gravità" o "gravità zero" per un corpo quando si è in assenza di masse (il corpo è cioè solitario o comunque molto lontano da qualunque altro corpo così da non risentire di alcuna attrazione) oppure quando la risultante della somma delle forze di attrazione esercitata da una distribuzione di masse sul corpo in oggetto è nulla. Infatti secondo il legge di Gauss, se ci troviamo all'interno di una distribuzione uniforme di masse, la risultante delle forze gravitazionali dovuta a tali masse è nulla: in pratica, siamo attratti da tutte le parti in maniera uniforme con una risultante finale nulla. Se ci trovassimo all'interno della Terra e questa, anziché piena, fosse cava, non sentiremmo più la forza gravitazionale della massa che ci circonda; analogamente, se ci trovassimo nello spazio interstellare e assumessimo che le stelle fossero distribuite uniformemente intorno a noi, avremmo ancora una volta a che fare con una risultante di forze nulla. In questi casi è il peso reale ad essere nullo, in quanto è la forza gravitazionale stessa ad essere nulla.

Per quanto riguarda il peso apparente, ricordiamo che: secondo il principio di equivalenza forte, in un campo gravitazionale qualsiasi è sempre possibile scegliere un sistema di riferimento che sia localmente inerziale, cioè che in un intorno sufficientemente piccolo del punto le leggi del moto assumono la stessa forma che avrebbero in assenza di gravità.

Siccome la forza gravitazionale in una regione sufficientemente ristretta può essere considerata costante, tutti gli oggetti al suo interno verranno accelerati in maniera identica, siamo quindi in un Sistema di Riferimento Inerziale Locale. Inoltre, non esistendo vincoli o forze di reazioni da misurare (trascurando effetti di marea e altre forze esterne), il peso apparente è per definizione nullo.

La forza gravitazionale è una forza a distanza, essa è generata da un campo gravitazionale nel quale gli oggetti sono immersi, se volessimo annullare tale forza, usando altri tipi di forze, ci troveremmo nella difficoltà di annullare la forza peso in ogni punto dell'oggetto in questione. Un oggetto su di un tavolo è attirato verso il basso e subisce la forza vincolare del tavolo solamente nella sua parte in contatto con il tavolo; questo fa si che le altri parti dell'oggetto siano ancora attirate verso il basso e esercitino una pressione che schiaccia le parti vincolate, mentre le parti sul fondo subiscono una compensazione dovuta al vincolo stesso.

Lo stesso effetto avviene quando ci immergiamo in un liquido, grazie al Principio di Archimede galleggiamo e il nostro peso è ridotto, ma il liquido non può controbilanciare l'effetto della gravità anche all'interno del corpo, il quale è ancora attirato verso il basso.

L'unico modo per eliminare completamente il peso è quello di esercitare un'altra forza capace di interaggire con ogni singolo punto dell'oggetto. L'unica forza conosciuta al momento ad avere una azione a distanza che possa contrastare la forza gravitazionale è la forza magnetica. Recentemente sono stati effettuati molti studi sulla levitazione magnetica, tuttavia questo campo è ancora in via di sviluppo sebbene il suo impiego sia già attuale nei treni maglev per esempio.

Una rana immersa in un campo magnetico sufficientemente intenso può levitare e siccome ogni punto del suo corpo è sostenuto da una forza magnetica, il suo peso è nullo.

Per definizione la parola peso è associata alla Forza Peso e quindi alla Forza Gravitazionale, ma in generale il peso apparente può essere associato anche ad altre forze. Per chiarire questa affermazione si possono fare i seguenti esempi:

se siamo in un'automobile che frena, la cintura di sicurezza ci trattiene: se agganciassimo un oggetto ad una molla e quest'ultima fosse fissa con l'automobile, potremmo misurare il peso dell'oggetto dovuto alla decellerazione della macchina.

se si vuole che i futuri astronauti possano vivere nello spazio per lunghi periodi di tempo (o perché in viaggio o semplicemente perché in orbita intorno alla Terra) avendo lo stesso peso che hanno al suolo (o almeno parte di questo), bisogna che la navicella o la stazione spaziale sia rotante, in modo da sviluppare una opportuna forza centripeta: quest'ultima fa sì che gli astronauti poggino i piedi verso la parete più lontana dall'asse di rotazione e percepiscano una forza (non di tipo gravitazionale ma di tipo centripeto) prodotta dalla reazione della parete sui piedi dell'astronauta diretta verso il centro.[1]

[modifica] Esempi di assenza di peso

Escludendo il caso di una risultante gravitazionale nulla applicata a un corpo, l'unico modo disponibile nella pratica per ottenere una misura di peso nulla è quello di effettuare la misura in un sistema di riferimento in caduta libera, o localmente inerziale.

Nei seguenti esempi assumiamo che l'attrito dell'aria sia trascurabile, gli stessi esempi saranno poi trattati piú approfonditamente alla fine di ogni sezione:

[modifica] Ascensore in caduta libera

Cominciamo con il caso in cui l'ascensore sia fermo.

Tutti gli oggetti al suo interno risentiranno della Forza Gravitazionale e saranno quindi spinti verso il basso. La misura del peso apparente in questa condizione eguaglia quella del peso reale.

Se adesso l'ascensore comincia a scendere con na accelerazione costante, gli oggetti all'interno risentiranno solamente di una parte della forza gravitazionale, quindi il peso apparente sarà ridotto in maniera proporzionale alla accelerazione dell'ascensore.

Nel caso limite in cui questa accelerazione eguagli l'accelerazione di gravità, gli oggetti all'interno (e l'ascensore stesso) sono in caduta libera. In questo caso tutti gli oggetti cadono alla stessa velocità e non subiscono nessuna forza vincolare ne di reazione, quindi il peso apparaente è nullo.

Bisogna fare notare che il caso dell'ascensore in caduta libera è una restrizione di un caso ben più generale, quello di un oggetto in orbita. Infatti lo si può classificare come un'orbita chiusa che interseca la superficie terrestre.

Se adesso continuiamo ad aumentare l'accelerazione dell'ascensore, gli oggetti all'interno dell'ascensore saranno spinti verso l'alto e risentiranno di una forza vincolare dovuta al soffitto dell'ascensore che adesso li spingerà verso il basso. In questo caso gli oggetti tornano ad avere un peso apparente non nullo.

In presenza di aria non si può parlare di caduta libera, questo perché l'ascensore non sarà mai un sistema di riferimento inerziale. L'attrito dell'aria fa si che l'ascensore non possa mantenere un'accelerazione costante e tenderà verso una velocità limite. Questo implica che il peso apparente degli oggetti all'interno tendera verso quello reale.

[modifica] Assenza di peso sulla Stazione Spaziale Internazionale

Comunemente quando si afferma che un oggetto è in orbita si intende che quest'ultimo segue una traiettoria chiusa (o ellittica) intorno ad un pianeta o una stella. Più generalmente invece, un'orbita è la traiettoria descritta da un corpo che si muove attratto gravitazionalmente da un altro corpo, questa può essere aperta (parabola o iperbole) o chiusa (ellittica).

Se un oggetto si trova in orbita è in caduta libera per definizione e rappresenta un sistema di riferimento inerziale locale (se non soggetto ad altre forze che quella gravitazionale).

La Luna si trova su di un'orbita ellittica chiusa intorno alla Terra ed è quindi in caduta libera intorno alla Terra. Per meglio comprendere la situazione il cannone di Newton è un perfetto esempio (sebbene ideale) [2].

Immaginiamo un cannone che spari un proiettile ad una data velocità. Più la velocità sarà elevata, più lontano arriverà il proiettile. Idelamente esiste una velocità per la quale il proiettile ritorna al punto in cui è stato sparato. In questo caso il proiettile entra in orbita intorno alla Terra e si ritrova perennemente attirato gravitazionalmente. La velocità radiale fa si che il proiettile, benché in caduta libera, non arrivi mai a toccare il suolo.

Una navicella spaziale in orbita (sia essa chiusa o aperta) e le persone al suo interno, dunque, viaggiano seguendo la stessa orbita: non c'è alcun motivo per cui le persone vengano spinte verso una qualche parete della navicella, esse subiscono tutte la stessa forza. Una misura della forza gravitazionale di un oggetto o di una persona all'interno della navicella da come risultato un valore nullo, perché l'intero sistema di riferimento è 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.

È erroneo pensare che un oggetto in orbita non abbia peso perché molto lontano dalla Terra, infatti se ci portiamo sulla Stazione Spaziale Internazionale (International Space Station o ISS) a 350 km di altezza, la distanza dal centro della Terra passa da circa 6378 km (raggio medio terrestre) a 6728 km: un’astronauta che pesi 100 Kg sulla superficie terrestre (e quindi che abbia una forza di attrazione gravitazionale di 100 Kg a livello del suolo), una volta sulla stazione spaziale, a causa della diminuita forza di attrazione gravitazionale (che è proporzionale all'inverso del quadrato della distanza), vedrà il suo peso diminuire a

$P_S = P_T* {R_T^2 \over {R_S}^2} = 100*{6378^2 \over {6728}^2} = 89,87 Kg$

dove $P S$ è il peso sulla stazione spaziale, $P T$ è il peso sulla Terra, $R T$ è il raggio terrestre e $R S$ è la distanza della stazione spaziale dal centro della Terra.

Anche se diminuita, la forza di attrazione gravitazionale della Terra sull’astronauta continua ad esserci all’interno della stazione spaziale: essa passa da 100 a circa 90 Kg ma non certamente a zero.

L'assenza di peso deriva esclusivamente dall'essere in orbita.

Ricordiamoci, per contro, che la Stazione Spaziale Internazionale si trova a 350 Km di quota, dove l'atmosfera è molto rarefatta: l'attrito incontrato è quindi molto basso e ciò comporta che una volta che l'ISS ha raggiunto la velocità di 27700 Km/h, rimane in orbita a tale quota a girare indefinitamente, a motori spenti. In realtà, poi, l'attrito non proprio nullo costringe la stazione spaziale ad accendere di tanto in tanto i motori per riguadagnare la quota che tende a perdere [3].

[modifica] Perché l’assenza di peso non vale su un aereo di linea

A differenza della ISS, l'aereo di linea si muove all'interno dell'atmosfera terrestre, non è quindi in orbita.

In assenza dell'atmosfera terrestre, se un aereo di linea volasse a 10 km di altezza, circolarmente intorno alla Terra, con una velocità di 28440 Km/h (ottenibile, con la formula della velocità orbitale), esso e i suoi passeggeri sarebbero in orbita intorno alla Terra e quindi, al pari della ISS, non ci sarebbe peso. In realtà un velivolo deve fare i conti con l'attrito dell'aria che, opponendosi al moto, produce una forza opposta alla direzione del moto stesso, senza contare poi che l'attrito impedisce all'aereo di avvicinare l'altissima velocità orbitale suddetta.

Il principio per il quale un aereo può volare è differente dal principio con cui una navicella orbita intorno a un pianeta; l’aria urta sulle sue ali e, grazie a come è fatto il profilo alare, l'aereo riceve una spinta verso l’alto che lo tiene sospeso: tale spinta viene indicata con il nome di portanza. Inoltre la misura della portanza è per definizione il peso apparente dell'aereo.

L’aereo si comporta come fa un’autobus a terra: anziché un pavimento di asfalto, esso ha un pavimento di aria che lo sostiene e anziché muoversi grazie alle ruote, esso scivola su tale pavimento d’aria. Così come succede per l’autobus, sul quale il pavimento stradale reagisce con una forza pari al peso dell’automezzo e dei suoi occupanti, anche l’aereo subisce una spinta verso l’alto (la portanza) pari al peso dell’aeromobile e dei suoi occupanti: ecco perché chi vola percepisce la sensazione di peso, alla stessa stregua di chi viaggia a terra.

[modifica] 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 quattro fasi.

Nella prima, l’aereo sale a 45°, per circa 30 sec, 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.

Nella seconda, 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.

Nella terza, il pilota torna ad alimentare i motori, riprendendo il controllo dell'aereo e, dopo un certo intervallo, è pronto a ripetere il ciclo.

Ovviamente, 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.

[modifica] Laboratorio volante di SpaceLand

Il Boeing 727-200 utilizzato per le missioni SpaceLand è stato protagonista delle missioni di Viberti con soggetti di prove bioingegneristiche di 85 e 93 anni di età (i più anziani al mondo in zero-g) e di prove di tecnologia ICT a controllo virtuale con la prima donna disabile della storia in zero-g. Il velivolo 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.

[modifica] 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.

[modifica] Zero Gravity Corporation

La Zero Gravity Corporation, azienda con sede nel Nevada, utilizza una versione modificata del Boeing 727 che effettua voli parabolici simili a quelli della NASA. I voli possono essere acquistati sia per turismo sia per effettuare ricerche.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Personaggi correlati

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