Assenza di peso

Con il termine assenza di peso (detta anche microgravità, gravità zero o assenza di gravità) si intende la sensazione di quasi assenza di peso che si manifesta in determinati sistemi di riferimento.

Introduzione

Il termine assenza di peso, ma ancor più gli altri tre menzionati sopra, sono in un certo qual senso fuorvianti: sembra quasi che con essi venga abolita la forza peso, in aperto contrasto con la teoria gravitazionale.

Va ribadito, quindi, che il peso che qui si intende non è quello della forza di gravità che tira verso il centro della Terra, ma piuttosto la sensazione che percepisce un essere umano quando, ad esempio, è in piedi: la forza di gravità lo spinge verso il basso ed è la reazione della terra o del pavimento che dà la sensazione di peso. Quando una persona si trova in un ascensore in caduta libera, la stessa non percepisce un peso in quanto manca la reazione del pavimento dell'ascensore anch'esso in caduta libera come la persona.

La forza di gravità continua ad esserci quando si è dentro l’ascensore in caduta libera o all’interno di una stazione spaziale: ciò che viene a mancare è la reazione del supporto sia esso la terra, la sedia, il pavimento di un aereo, un paracadute che rallenta la caduta o altro ancora.

L'unica situazione in cui a stretto rigore si possono usare i termini di assenza di gravità o gravità zero per un corpo è quando esso sia molto distante da qualunque altro corpo, solitario nello spazio interstellare.

Esempi di assenza di peso

Una volta precisato che con assenza di peso si intende la mancata percezione dello stesso, si possono individuare alcune situazioni per le quali questa sensazione risulta per l’appunto nulla.

Caduta libera: un corpo che cade liberamente non prova la sensazione di peso in quanto manca un qualche sostegno che fornendo una reazione al peso del corpo gli trasmetta tale sensazione
Spazio interstellare: la sensazione di peso non può manifestarsi per un corpo solitario nello spazio. Questo è l’unico caso, a rigore, in cui non essendoci un altro corpo che lo attira viene a mancare la gravità: il corpo solitario non ha un peso e quindi non si pone neanche la questione se prova o no tale sensazione.
Orbita satellitare: come si vedrà in seguito, quando un corpo è in orbita satellitare all’interno di una navicella spaziale, esso non percepisce alcun peso perché la forza di gravità è bilanciata da quella centrifuga e ciò vale tanto per la navicella spaziale quanto per il corpo al suo interno.
Volo parabolico: durante precisi frangenti di un volo con traiettoria parabolica si riproducono le condizioni di caduta libera menzionata nel primo caso e quindi i passeggeri del velivolo, durante tale periodo, non percepiscono alcun peso, ma fluttuano all’interno del velivolo stesso.

Assenza di peso sulla Stazione Spaziale Internazionale

Se ci portiamo, ad esempio, 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: supponendo per semplicità che l’astronauta 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, la diminuita forza di attrazione gravitazionale (che è proporzionale all'inverso del quadrato della distanza) produrrà un peso pari a

$P_{S}=P_{T}*{R_{T}^{2} \over {R_{S}}^{2}}=100*{6378^{2} \over {6728}^{2}}=89,87Kg$

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.

Perché allora se c'è la forza di attrazione gli occupanti non avvertono alcun peso?

Si possono fare due ragionamenti: il primo ipotizzando che l'ISS stia ferma e il secondo che giri intorno alla terra, come di fatto succede, alla velocità di 27700 km/h.

Se, malauguratamente, l'ISS stesse ferma, essa cadrebbe sulla Terra: siamo nella stessa situazione dell'ascensore in caduta libera e ancora una volta mancherebbe la reazione del pavimento che dà la sensazione di peso.

Se invece consideriamo, come di fatto avviene, che l'ISS giri intorno alla Terra con un orbita pressoché circolare ad una velocità di 27700 km/h (ottenibile con la formula della velocità orbitale), si viene a generare nella stazione spaziale una forza centrifuga uguale e contraria rispetto alla forza di gravità che tenderebbe a farla cadere sulla Terra. Anche l’astronauta con 89,87 Kg di attrazione verso la Terra verrebbe ad avere una forza centrifuga pari proprio a 89,87 kg. Ancora una volta, viene a mancare la reazione di un supporto all’interno della stazione spaziale nei confronti dell’astronauta: entrambi si muovono di conserva e quindi manca la sensazione di peso.

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

In assenza dell'atmosfera terrestre, se un aereo di linea che vola a 10 km di altezza, circolarmente intorno alla Terra, avesse una velocità di 28440 Km/h (ottenibile, come prima, con la formula della velocità orbitale), varrebbe anche per esso il discorso dell’uguaglianza tra la forza centripeta data dall'attrazione gravitazionale e quella centrifuga data dalla sua velocità e quindi le persone al suo interno fluttuerebbero. In realtà, la situazione cambia drasticamente a causa della presenza dell'atmosfera terrestre: l'aereo deve fare i conti con l'attrito dell'aria che, opponendosi al moto, produce una sensazione di peso nella direzione del moto stesso. Va da sé, inoltre, che l'attrito impedisce all'aereo di avvicinare l'altissima velocità necessaria per metterlo in orbita satellitare intorno alla Terra.

Bisogna fare tutto un altro ragionamento. L’aria urta sulle ali dell’aereo e, grazie a come è fatto il profilo alare, fornisce una spinta verso l’alto che tiene su l’aereo stesso: tale spinta viene indicata con il nome di portanza.

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.

Voli parabolici

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

L’aereo sale a 45°, con una forte accelerazione: durante questa fase i passeggeri sono schiacciati contro i loro sedili e la loro sensazione di peso aumenta rispetto a quella percepita a terra. Dopo circa 30 sec di salita, il pilota smette di alimentare i motori del velivolo, che prosegue per un po’ la sua corsa in salita senza più alcuna spinta. Una volta raggiunto il punto di massima altezza, esso inizia a cadere verso terra. È proprio durante questa fase, della durata di 20-30 sec, che i passeggeri sperimentano l'assenza di peso: sono in caduta libera e fluttuano all'interno del velivolo. Terminata la fase di caduta libera, l'aereo riprende il controllo della situazione pronto per ripetere un altro ciclo.

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

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.

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.

Microgravità in senso stretto

Oltre a voler significare assenza della percezione di peso, il termine Microgravità ha, altre volte, un significato tutto suo: 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 non venga per nulla percepito, si verificano in realtà piccoli scostamenti dalla condizione ideale che portano i corpi ad avere leggerissime percezioni di peso.

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

La forza centripeta dovuta all'attrazione gravitazionale diminuisce di 1 ppm per ogni 3 m che ci si allontana dal centro della Terra. Poiché i corpi reali non sono puntiformi, varie parti di esso si trovano a distanze diverse dalla Terra: nascono forze di marea e il corpo si sente tirare in varie parti.
Per contro, la forza centrifuga cresce man mano che ci si allontana dal centro della Terra: nascono anche qui forze di marea, ma di segno opposto rispetto a prima e ancora una volta il corpo si sente tirare in varie parti.
I corpi lasciati liberi a se stessi, a causa dell'attrazione gravitazionale che la struttura della navicella spaziale esercita su di essi, si dirigono verso le sue parti più dense, quelle cioè che, avendo più massa, attirano più fortemente. Una volta toccate le pareti, essi si fermano percependo un peso.
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 circolare (o, meglio, ellittica) descritta dal corpo. Il piano orbitale della navicella spaziale è quello che passa per il suo asse di simmetria e 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.