Gravitazione universale Legge di gravitazione universale (Newton): Un corpo dotato di massa ne attira un altro con una forza proporzionale alla massa di ognuno e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. Tale forza è diretta lungo la retta che congiunge i due corpi: F=G m1 m2 r 2 Caratteristiche ● ● ● ● La costante G (detta costante universale di gravitazione) ha valore costante, qualunque sia la copia di corpi che interagiscono, siano essi stelle distanti anni luce o protoni all'interno di un nucleo atomico La forza gravitazionale è attrattiva La forza gravitazionale ha un'espressione simile alla forza elettrica tra due oggetti carichi, ma la forza elettrica è sia repulsiva (tra due cariche di segno uguale) che attrattiva (tra due cariche di segno diverso) Il rapporto tra la forza attrattiva gravitazionale tra due elettroni e la forza elettrica repulsiva tra gli stessi due elettroni vale: attrazione gravitazionale 1 = 42 repulsione elettrica 4,17 x 10 Esperimento di Cavendish (1797) Per determinare il valore di G: misura la forza esercitata tra due piccoli oggetti. Il valore ora accettato è: −11 G=6,67 x 10 N·m2 2 kg Accelerazione di gravità g Caso particolare: corpo con massa m attratto dalla Terra con massa M T (e quindi, viceversa, Terra con massa M T attratta dal corpo con massa m). Si suppone che tutta la massa della Terra sia concentrata nel suo centro, quindi la distanza tra la massa m e la Terra è uguale raggio della terra , quindi la forza è la forza-peso: F P =G m MT GM = m( 2 T ) 2 RT RT perciò N·m2 (6,67 x 10 ) x(5,976 x 1024 kg) 2 m GM T kg = 9,80 2 = s R 2T (6,378 x 10 6 m)2 −11 = g Questo è il valore dell'accelerazione con cui si muove il corpo con massa m. Se la massa della Terra è molto più grande di m, l'accelerazione subita dalla Terra sarà molto più piccola di g. Situazione precedente alla determinazione della Legge di Gravitazione. Leggi di Keplero (tedesco, 1571-1630): 1) Ogni pianeta descrive intorno al Sole un'ellisse di cui il Sole è uno dei fuochi 2) Il raggio vettore dal Sole al pianeta descrive aree uguali in tempi uguali → Quando sono più vicini al Sole si muovono più in fretta 3) Il rapporto tra il quadrato del periodo orbitale e il cubo del semiasse maggiore dell'ellisse è lo stesso per tutti i pianeti T2 =costante r3 (ovviamente è costante anche il rapporto inverso 3 r 2 T ) Se l'orbita fosse circolare (e lo è quasi), il tempo impiegato per compiere un giro completo sarebbe proporzionale a r 3/2 Campo gravitazionale Perché un sasso è attirato dalla Terra? Non esiste un'azione a distanza senza l'intervento di un qualcosa di intermediario. Per esempio, nei fenomeni magnetici la calamita attira un pezzo di ferro: la calamita non agisce direttamente sul ferro, ma produce qualcosa di fisicamente reale intorno ad essa. Questo qualcosa si chiama campo magnetico Analogamente, la Terra produce intorno a sé un campo gravitazionale, che agisce sulla pietra e ne produce la caduta. Diversamente dai campi elettrici e magnetici, il campo gravitazionale gode di una proprietà particolare: l'accelerazione a cui sono soggetti i corpi che si muovono sotto l'unica influenza di un campo gravitazionale non dipende né dalla materia né dallo stato fisico del corpo in questione. Una sfera di piombo e una piuma cadono nello stesso modo in un campo gravitazionale (nel vuoto) Massa inerziale e massa gravitazionale Per la legge di Newton abbiamo: Forza=massa inerziale x accelerazione Se la causa dell'accelerazone è la gravità si avrà: Forza=massa gravitazionale x intensità del campo gravitazionale La massa inerziale e la massa gravitazionale sono costanti caratteristiche di un corpo. Dalle due relazioni precedenti segue che: accelerazione= (massa gravitazionale/massa inerziale) x intensità del campo gravitazionale Poiché, sperimentalmente, per un dato campo gravitazionale l'accelerazione è la stessa per tutti i corpi, si avrà che il rapporto tra le due masse è costante. Tale fatto è spiegato dalla teoria della relatività generale: vale il principio di equivalenza, secondo il quale gli effetti gravitazionali sono indistinguibili dagli effetti prodotti dall'accelerazione del riferimento in cui il sistema si trova. Moto dei satelliti Se si lancia un oggetto orizzontalmente con velocità sempre maggiori, l'oggetto atterrerà sempre più lontano. Man mano che la velocità cresce, la traiettoria sarà sempre meno incurvata. Per un certo valore della velocità l'incurvamento della traiettoria sarà uguale a quello della Terra e l'oggetto non riuscirà più ad atterrare e continuerà a cadere senza mai toccare il suolo: l'oggetto entrerà in orbita. Se si aumenta ancora la velocità, l'orbita diventa ellittica, e se si aumenta ancora la velocità la sua traiettoria non si chiude più e l'oggetto si allontana per sempre dalla Terra. Esercizio Qual è la velocità di entrata in orbita di un satellite di massa m? Risposta: dalla seconda legge della dinamica si ha mM v2 G 2 =m R R da cui si ricava v= √ GM =7,91 x 103 m/s R Quindi la velocità non dipende dalla massa del satellite Energia potenziale gravitazionale Precedentemente il lavoro compiuto dalla forza peso per spostare un corpo di massa m era stato definito come: L=±mgh dove h indicava il dislivello (in valore assoluto) tra la posizione iniziale e la posizione finale. In questo caso la forza era stata considerata costante Se la distanza percorsa è elevata, non si può più considerare costante la forza peso (varia l'accelerazione) e quindi l'espressione del lavoro deve essere modificata. Tramite il calcolo integrale si dimostra che il lavoro compiuto dalle forze gravitazionali con cui interagiscono due masse m e M, quando la distanza tra le due masse passa da r A a rB è: L=G mM mM −G rB rA Applicazione Calcolare il lavoro compiuto dalle forze gravitazionali quando un corpo di massa m si sposta dalla superficie della Terra fino ad una distanza infinitamente grande: L∞= −GmM RT Anche se la distanza cresce infinitamente, il lavoro non è infinito perché il valore del peso diminuisce rapidamente Tale lavoro rappresenta l'energia potenziale gravitazionale del corpo rispetto all'infinito, quando il corpo si trova sulla superficie della Terra Velocità di fuga E' la velocità minima che bisogna dare ad un corpo, soggetto solo alla forza gravitazionale di richiamo della Terra, affinché si allontani indefinitamente dalla Terra. Per calcolarla bisogna considerare il teorema dell'energia cinetica: imponendo che l'energia cinetica sia nulla ad una distanza infinita, si avrà: ΔK=0-mv2/2=-GmM/RT quindi: v= √ 2 GM RT il cui valore è circa 11 km/s (circa 34 maggiore della velocità del suono). Se la velocità fosse maggiore della velocità di fuga, il valore dell'energia cinetica all'infinito tenderebbe ad un valore maggiore di zero.