mercoledì 25 giugno 2014

Cadere in assenza di gravità

La solita amica non fisica ma appassionata di fisica mi ha chiesto come si fa a creare l'assenza di gravità in un aereo facendolo precipitare.

Per prima cosa una pignolesca puntualizzazione: lei ha messo tra virgolette la parola "precipitare", ma avrebbe fatto meglio a mettere tra virgolette la parola "creare" ;-)

Allora vediamo come viene messa in pratica la cosa, prima di spiegare la fisica che ci sta dietro.

Un aereo costruito o modificato appositamente (delle dimensioni comunque di un aereo passeggeri o cargo, un jet militare non sarebbe utilizzabile in quanto nell'abitacolo mancherebbe lo spazio per sperimentare l'assenza di gravità) sale con la massima accelerazione possibile con un angolo di 45° rispetto al terreno.
Prima di andare avanti: l'inclinazione di 45° è un compromesso ideale tra gli obiettivi (cioè l'annullamento della gravità, per cui l'ideale sarebbe il volo verticale) e la fattibilità tecnica della cosa (decollo, stabilità di volo, ripresa del controllo dell'aereo, ecc., per cui l'ideale sarebbe il volo quasi orizzontale).
A un certo punto il pilota spegne i motori. L'aereo per un breve tratto continua a salire ma rallentando e disegnando una parabola (provate a lanciare per aria una palla da tennis con la stessa inclinazione: non raggiungerete le stesse velocità e altezze, ma otterrete la stessa identica traiettoria).
Raggiunto il culmine della parabola il moto si inverte e l'aereo comincerà a cadere. In caduta libera (collegamento alla wiki inglese, in quanto quella italiana è inadeguata). Soggetto - trascurando gli attriti con l'aria - solo alla forza di gravità.
E in questa parte del volo i passeggeri (pilota escluso, in quanto ben legato al posto di pilotaggio :-) ) sperimenteranno la famosa assenza di peso (e non di gravità, come comunemente si dice, anche se ai fini pratici possono essere considerati sinonimi).
Il pilota poi riaccende i motori prima di schiantarsi al suolo, naturalmente :-)

Però... quale è la spiegazione fisica?
Qui entrano in gioco le forze apparenti.

Partiamo da un esempio semplice semplice che sperimentiamo quotidianamente: una macchina che accelera. Nel momento in cui si pigia sul pedale dell'acceleratore si viene "spinti" all'indietro. È un fenomeno che abbiamo sperimentato tutti (o quasi).
Però c'è solo una forza reale: quella prodotta dal motore, che spinge in avanti la macchina. E allora quale forza spinge noi indietro, premendoci contro lo schienale del sedile?
In realtà nessuna forza reale: è l'auto che accelera, noi siamo solidali all'auto a causa del sedile (e se rispettiamo il codice della strada delle cinture di sicurezza), se non ci fosse il sedile noi non accelereremmo insieme all'auto, rimerremmo fermi rispetto alla strada (o quasi, tenendo conto che in gioco ci sono anche altre forze, tipo anche qui la gravità, e non solo quella dovuta all'accelerazione, quindi l'esempio della macchina è più facilmente visualizzabile ma alla fine matematicamente più complesso di quello della caduta libera).
E così sperimentiamo una forza - apparente - che ci fa premere contro lo schienale del sedile.

Ecco, nella fase di caduta libera dell'aereo di cui sopra capita esattamente lo stesso.
Solo che l'accelerazione è l'accelerazione di gravità (trascurando l'attrito dell'aria, come già detto) e che per i passeggeri non ci sono sedili e cinture di sicurezza.
Quindi questa forza apparente che si oppone alla forza di gravità sembra annullarla, quindi ci si ritrova... senza peso.

Ultima cosa: perché ho detto che tra virgolette andava la parola "creare" e non la parola "precipitare"?
L'aereo precipita veramente: i motori sono spenti.
L'assenza di gravità invece viene simulata, non creata. La forza di gravità è sempre lì, anzi è proprio grazie ad essa che l'aereo precipita.

Saluti,

Mauro.

P.S.:
Una trattazione fisica dettagliata è chiaramente un po' più complessa. Io ho cercato di unire semplicità e correttezza per essere comprensibile dal maggior numero di persone possibile. Se non ci sono riuscito me ne scuso.

24 commenti:

.mau. ha detto...

la traiettoria è un arco di ellisse, non una parabola :-P

(a meno naturalmente che la Terra non sia piatta)

Mauro ha detto...

Se avessi scritto arco di ellisse solo tu e un paio d'altri mi avrebbero capito.

La parabola è una buona approssimazione (tenendo anche conto che parliamo di voli che "in orizzontale" si spostano di pochi chilometri, quindi la terra si può quasi approssimare a piatta).

Serena ha detto...

Essendo impegnata a ciacolare con una persona di cui non farò il nome ma solo il cognome, tale Venier, non sono riuscita a seguire il documentario ed è per questo che ho scritto precipitare tra virgolette: le immagini del documentario erano abbastanza chiare, ma non ero sicura di averle ben interpretate.

Sembrerà strano ma avevo pensato anche io che era la gravità a far precipitare l’aereo e quindi non capivo come potesse esserci l’opposto al suo interno. Oro lo ho capito e con estrema facilità.

Devo essere sincera: se la fisica fosse sempre spiegata così, riuscirebbe comprensibile a molte più persone.

Mauro ha detto...

Chi è questo "Venier"?

Io conosco solo Sebastiano Venier, doge di Venezia e ammiraglio a Lepanto ;-)

Serena ha detto...

Io di sicuro sarei ancora bloccata a cercare la spiegazione per l'arco di ellisse. :-)

Serena ha detto...

Il signor Venier è il creatore e curatore di questo blog. :-)

Mauro ha detto...

Ops... mi era sfuggita la cosa :-)

Serena ha detto...

Deve essere l'età... :-)

.mau. ha detto...

@serena: quando lanci in aria un oggetto, stai cercando di farne un piccolo satellite (poi non ci riesci perché non hai abbastanza forza, ma il concetto è quello).
Come fece notare Keplero, i satelliti compiono orbite ellittiche.

Serena ha detto...

@mau: grazie per la spiegazione ma aveva già provveduto Mauro Venier, che mi conosce e sa che sono curiosa. :-) Comunque, hai aggiunto un tassello e male non fa, quindi grazie. :-)

Daniele ha detto...

Caro Mauro, il tuo post ha il vantaggio di spiegare un concetto poco capito con parole semplici, MA:

C'È un grosso errore che ti prego di correggere.
Raggiunto il culmine della parabola il moto si inverte e l'aereo comincerà a cadere. In caduta libera (...). Soggetto - trascurando gli attriti con l'aria - solo alla forza di gravità.
E in questa parte del volo i passeggeri (pilota escluso, in quanto ben legato al posto di pilotaggio :-) ) sperimenteranno la famosa assenza di peso ...


ebbene: l'aereo di trova in caduta libera dall'istante in cui spegne i motori (trascurando gli attriti con l'aria)!!! Da quel momento infatti, è soggetto alla sola forza peso, e QUINDI si trova in caduta libera (anche se sta ancora salendo, in virtù della velocità che ha nel momento in cui spegne i motori).
È un dettaglio molto importante: qualunque oggetto che salga, che scenda, che vada dritto ecc, ma che e' solo soggetto alla forza di gravità (esempio: la Luna) è detto essere in caduta libera. Quindi i passeggeri sentono l'assenza di peso ANCHE MENTRE STANNO ANCORA SALENDO A MOTORI SPENTI.
Noi qui sulla terra siamo soggetti alla forza di gravità, E alla forza di reazione pavimento che ci tiene su.

Ciao! Daniele

Mauro ha detto...

Non c'è nessun errore: io non sostengo che la caduta libera comincia con l'inversione del moto.

Io sostengo solo che la parte in discesa (fino alla riaccensione dei motori) è in caduta libera.

Ed è perfettamente corretto.

Daniele ha detto...

Non ciurlare nel manico. :-) Sai bene che per come è scritto "insegna" esattamente quello che ho detto... Tu scrivi "l'aereo comincerà a cadere ... in caduta libera". Questa ripetizione suggerisce (È vero, non lo dici, ma...) che cadere=caduta libera e questo didatticamente mi sembra un po' fuorviante... non sei d'accordo?

Daniele ha detto...

E poi scrivi (scusa, ho voglia di scassare le palle!!!)

E in questa parte del volo i passeggeri (pilota escluso, in quanto ben legato al posto di pilotaggio :-) ) sperimenteranno la famosa assenza di peso ...


Frase VERA.
Ma perche' allora specificare "in questa parte del volo"? Anche mentre salgono a motori spenti...

Mauro ha detto...

L'unica "scorrettezza" (peraltro perpetrata coscientemente) è quella notata da .mau.

Tutto il resto va bene.

Poi tu hai tutto il diritto di pensarla diversamente. Su questo non ci piove.
Ma ciò non significa che io debba correggere qualcosa.

Daniele ha detto...

Mauro, la fisica (soprattutto quella classica) è la fisica, non si tratta di "pensarla" o non "pensarla". Sappiamo tutti e due che non stiamo dibattendo (per fortuna) sulla meccanica newtoniana.

Il mio era un consiglio didattico, e secondo me la frase messa così rende oscuro un aspetto molto interessante: si può "cadere liberi" anche salendo, od orbitando. Se poi tu giustamente per orgoglio non vuoi ascoltarmi, fai pure. Ciao

Serena ha detto...

Non conoscendo la materia non entro nel merito del giusto/sbagliato ma lo scopo dell'articolo era quello di far comprendere un concetto non troppo facile da spiegare. Scopo che è stato raggiunto, secondo me, e tanto dovrebbe bastare. :-)Se (e ribadisco se)ci sono delle inesattezze, non sono state così influenti da rendere la spiegazione poco comprensibile.

Mauro ha detto...

Daniele, l'orgoglio non c'entra niente.
L'obiettivo dell'articolo era spiegare una ben precisa cosa (e questa cosa non era la caduta libera in se') e per quello ho volutamente evitato di mettermi a spiegare cose a mio parere non essenziali: avrebbero allungato troppo il testo e sviato dal punto principale.
Quindi la mio opinione è che, se non scrivo cose sbagliate (e non lo ho fatto in questo articolo), non è il caso di spiegare ogni singolo dettaglio.

Serena ha detto...

@ Mauro: che fai? Copi quello che ho scritto io? :-)Guarda che lo dico alla maestra. :-)

Anonimo ha detto...

Mauro, se la voce italiana di Wikipedia e' inadeguata, perche' non le dai una modificata? Puoi certamente farlo (se ne hai voglia, ovvio).
Ciao
Ricky

Mauro ha detto...

La voce in questione non è sbagliata, solo è fatta in maniera tale da non essere comprensibile per tutti, ma solo per chi ha già determinate conoscenze. In questo senso inadeguata.
E, sinceramente, sono troppo pigro per modificarla ;)

Anonimo ha detto...
Questo commento è stato eliminato da un amministratore del blog.
Mauro ha detto...

Prima di risponderti mi piacerebbe sarebbe chi sei. In caso non ti riveli il commento verrà semplicemente cancellato.

Mauro ha detto...

Anche qui avevo avvertito. Le regole sono regole.