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0426. Come fa una navicella spaziale a mantenersi in orbita e poi rientrare nell'atmosfera terrestre?

Vorrei sapere come fa una navicella spaziale a mantenersi in orbita e come può poi rientrare nell'atmosfera terrestre. Il sistema di propulsione può funzionare in assenza, o quasi, di materia?
da Elena Scarperi

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Una navicella spaziale si mantiene in orbita icona_esperto[310] per lo stesso motivo per cui la Luna si mantiene in orbita attorno alla Terra: entrambe (finchè non si intervenga per alterare in qualche modo questo stato di moto, per esempio, nel caso della navicella, accendendo i sistemi di propulsione) percorrono all'infinito una traiettoria chiusa, con un certo "periodo di rivoluzione", che è l'intervallo di tempo necessario per compiere un giro completo, cioè per ritornare allo stesso punto di partenza, in "caduta libera" nel campo di attrazione gravitazionale generato dalla Terra. Di fatto, fu proprio per cercare di rispondere a questa domanda riguardante l'orbita della Luna che Isaac Newton icona_minibiografia formulò la cosiddetta "teoria della gravitazione universale".

Si usa il termine "caduta libera" perchè, anche se ciò può sembrare paradossale, la navicella in orbita (così come la Luna) cade continuamente (e "liberamente", cioè in assenza di propulsione o di altri interventi esterni) verso la Terra. Ovviamente, cadono assieme a lei e nel suo stesso identico modo anche tutti gli oggetti in essa contenuti, inclusi gli astronauti: questa è la ragione per cui gli astronauti, all'interno della navicella, si muovono in apparente condizione di "assenza di peso".

Il punto da tener presente è che la navicella e la Luna percorrono la loro orbita con una certa velocità: nel caso della navicella, tale velocità è ottenuta nella fase di immissione in orbita, mediante un sistema di propulsione a razzo, che poi viene spento una volta che la navicella ha raggiunto l'orbita desiderata. Se, in maniera del tutto ipotetica, si potesse spegnere istantaneamente l'attrazione gravitazionale generata dalla Terra, la navicella procederebbe, in virtù del "principio di inerzia"icona_glossario, di moto rettilineo e uniforme (cioè con velocità e direzione costante) lungo la tangente all'orbita. Di fatto, è proprio l'attrazione gravitazionale generata dalla Terra a far sì che la navicella, mentre viaggia con una certa velocità "tangenziale", cada anche verso la Terra, così che la sua traiettoria, anzichè essere rettilinea, si incurva verso la Terra a formare un'orbita chiusa circolare oppure (più in generale) ellittica icona_esperto[244] icona_esperto[346] .

Per poter rimanere su un'orbita circolare, ad una determinata distanza dalla Terra, la navicella deve viaggiare ad una ben precisa velocità. Talvolta, questa condizione viene anche espressa, nel sistema di riferimento non inerziale che ruota con la navicella, affermando che la forza di attrazione gravitazionale deve essere esattamente controbilanciata dalla "forza centrifuga"icona_glossario, generata dal moto circolare.

Per far rientrare la navicella nell'atmosfera, cioè verso Terra, si utilizza il suo sistema di propulsione a razzo (dirigendolo nel verso contrario a quello del moto) per frenarla e farle così perdere velocità: la perdita di velocità si traduce infatti in una diminuzione della distanza dalla Terra. Questo lo si può vedere facilmente nel sistema di riferimento che ruota con la navicella, dove una minore velocità di rotazione si traduce in una minore "forza centrifuga" che, pertanto, non è più sufficiente a controbilanciare la forza di attrazione gravitazionale.

Il sistema di propulsione delle navicelle spaziali, a differenza del sistema di propulsione degli aerei, non ha bisogno dell'aria per funzionare (e quindi può benissimo funzionare anche nello spazio vuoto, fuori dall'atmosfera): esso si basa semplicemente su una legge fondamentale della dinamica, nota come "legge di azione e reazione"icona_esperto[326] (ovvero sulla legge di conservazione della "quantità di moto"icona_glossario). In parole povere, il sistema di propulsione "a razzo" della navicella prevede che, da uno o più ugelli, vengano espulsi gas ad altissima velocità e, per reazione (ovvero per conservare la "quantità di moto"), la navicella viene spinta in direzione opposta a quella di emissione dei gas.

Risponde Enrico Meggiolaro, fisico.

 

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ultimo aggiornamento Gennaio  2015

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