sabato 28 giugno 2014

In caduta libera (dedicato a Daniele)

Questo articolo è affettuosamente dedicato all'amico e collega Daniele :)

Chi ha letto il mio recente articolo sulla simulazione dell'assenza di peso avrà anche notato un piccolo battibecco nei commenti sulla caduta libera.
Credo che sia io che lui siamo stati abbastanza chiari nelle nostre esternazioni, quindi se siete curiosi andate a leggere lì. Non sto a ripetere le cose qui.

Però il tema caduta libera è interessante e sono pronto a scommettere che molti saranno sorpresi di scoprire che in caduta libera... non necessariamente si cade!

Giochi di parole a parte, la caduta libera è uno di quei temi che sembrano semplici, che anche il profano più profano sembra capire senza eccessivi problemi, ma che poi - scavando - viene fuori che sì, particolarmente difficile non è, ma nonostante ciò è generalmente frainteso o compreso solo parzialmente.

Se io chiedo a una qualsiasi persona che non ha particolari conoscenze scientifiche cos'è la caduta libera... la risposta più frequente è che la caduta è libera quando qualcosa o qualcuno cade senza essere legato a nessun vincolo (tipo corde, paracadute o che so io).
E se chiedo a quella stessa persona in che direzione può avvenire tale caduta, questa mi guarda come fossi scemo e mi dice naturalmente verso il basso, magari aggiungendo non necessariamente perfettamente in verticale, ma comunque verso il basso.
Niente cade verso l'alto e niente fluttua in aria (a meno di interventi esterni, ma allora non è più libero, perdindirindina!).

E se ci limitiamo alla nostra esperienza quotidiana di persone coi piedi (fisicamente) per terra in fondo non potrei neanche dargli torto.
Però, però la caduta libera non è proprio questo. È anche questo (volendo trascurare gli attriti dell'aria), ma è di più. Molto di più.

Cos'è, dal punto di vista della fisica, la caduta libera?
La caduta libera è quel tipo di moto (sì, nel linguaggio comune si dice movimento, in fisica si dice però moto) in cui il corpo che si muove è soggetto solo e unicamente alla forza peso (alias forza di gravità).
Quindi, se vogliamo essere pignoli pignoli, la vera caduta libera può avvenire solo nel vuoto assoluto, in quanto unico luogo ove non esistono attriti (e conseguenti forze) dovuti ad aria o altro.
Però, ovunque questi attriti possono essere considerati trascurabili rispetto all'entità della forza peso (come nell'atmosfera già a pochi chilometri di altezza, ma più in alto vai meglio è) si può parlare di caduta libera.

Premesso ciò, quindi, in che direzione può avvenire la caduta libera?
Semplicemente in tutte le direzioni, dipende dalle condizioni di partenza.

Prendiamo l'esempio del volo in assenza di peso, trattato nell'articolo del 25 giugno da cui siamo partiti.

Che la discesa (fino alla riaccensione dei motori) sia una caduta libera, credo sia evidente a tutti. L'unica cosa da dire (anzi già più volte detta) è che c'è una piccola approssimazione dovuta al trascurare gli attriti dell'aria, ma è veramente minima. Detto ciò, penso la cosa sia chiara.

Però il pilota spegne i motori mentre l'aereo è ancora in salita. E allora, direte voi, l'aereo mica cade subito!
Se con cadere intendiamo quanto inteso dal senso comune, è vero, l'aereo non cade subito. Ma la caduta libera non è il cadere. La caduta libera è l'essere soggetti solo alla forza peso. E l'aereo a motori spenti è appunto (trascurando gli attriti) soggetto solo a essa, quindi nel senso di "caduta libera" cade anche nell'ultimo tratto in salita, prima di invertire il moto.
La differenza rispetto al tratto in discesa è che la forza peso e la forza apparente (per la forza apparente vedasi quanto scritto il 25 giugno) qui spingono nella stessa direzione, nel tratto in discesa in direzioni opposte.

Ma c'è una cosa ancora più bella da raccontare sulla caduta libera.
Avete presenti tutti i satelliti che sono in orbita? Quelli militari, quelli meteorologici, la stessa stazione internazionale orbitante?
Bene. Sono tutti in caduta libera!
Ma come, sento dire, allora ci stanno cadendo sulla testa?
No, uscite pure dal bunker, non ci cadono e non ci cadranno sulla testa.

Perché i satelliti sono in caduta libera?
I satelliti vengono messi in orbita sfruttando la forza esercitata da motori (il tipo di motore è qui ininfluente e non interessante), di certo non arrivano in orbita grazie alla forza peso, anzi :)
Però una volta raggiunta la posizione, l'orbita prevista i satelliti vengono, per così dire, abbandonati a sé stessi: in orbita ci rimangono senza intervento di nessun motore, di nessuna forza esterna, solo grazie alla forza peso.
Il trucco è semplice: la forza peso spingerebbe il satellite a schiantarsi sulla terra (o a disintegrarsi arrivando negli strati più densi dell'atmosfera), però il satellite arriva in orbita con una certa velocità (non casuale, ma accuratamente calcolata) e, dato che il moto naturale di ogni corpo messo in movimento è (sempre trascurando gli attriti con l'aria) il cosiddetto moto rettilineo uniforme, il satellite tenderebbe a muoversi in direzione tangente alla terra (la famosa forza centrifuga, forza apparente di cui indirettamente scrissi già qui, in particolare nei commenti)... le due forze si compensano tra loro e quindi il satellite si mette a orbitare intorno alla Terra.
Ma l'unica forza reale a cui è soggetto è la forza peso... quindi il satellite è in caduta libera :)

Saluti,

Mauro.

P.S.:
Se sono stato noioso o poco comprensibile... prendetevela con Daniele ;)

5 commenti:

Serena ha detto...

Cari Daniele e Mauro, non fucilatemi, vi prego! Come ho detto ieri, sono l'ignorante del gruppo, quindi abbiate tanta pazienza. Se io prendo quello che Mauro ha scritto oggi e dico che allora anche la Terra, il Sistema Solare, la nostra galassia e tutte le galassie, sono in caduta libera, sto dicendo un'eresia? Vi ricordo che l'omicidio è ancora un reato. :-)

Daniele ha detto...

Ringrazio moltissimo Mauro per la dedica e per aver dedicato tempo a scrivere questo post che è stato ispirato dal nostro dialogo precedente. Ha dimostrato una bella apertura mentale, accettando di esprimere concetti che ovviamente conosceva anche prima del mio intervento in modo più didattico e non ambiguo. Ha seguito il mio consiglio. È bello quando la mente umana funziona così (dicono, la mente umana è come un paracadute, funziona solo se è aperta). Grazie Mauro.

Mauro ha detto...

Grazie a te, Daniele.
E continua a commentare ogni volta che scrivo di fisica (o meglio: commenta su ogni cosa, ma soprattutto sulla fisica) :)

Mauro ha detto...

No, non stai dicendo un'eresia.

Serena ha detto...

Meno male! :-)