La caduta orbitale: come gravità e velocità mantengono un’orbita

Un veicolo spaziale in orbita non è sfuggito alla gravità del pianeta. La gravità continua ad agire su di esso e gli fornisce l’accelerazione centripeta necessaria a curvarne la traiettoria. Mentre cade, la sua velocità lo porta anche intorno al corpo centrale.

La NASA spiega questo principio attraverso l’esperimento mentale del cannone di Newton. L’illustrazione immagina un cannone sulla cima di una montagna straordinariamente alta e semplifica la fisica: tralascia, tra gli altri fattori, la resistenza dell’atmosfera e i limiti di un cannone reale. La meccanica orbitale che rappresenta, senza questi dettagli, è valida.

Dal proiettile all’orbita

Con una piccola spinta iniziale, la palla di cannone descrive un arco e cade a una certa distanza. Se la velocità aumenta, arriva più lontano. Con velocità sufficiente, continua a cadere intorno al pianeta senza toccarne la superficie: ha raggiunto un’orbita. Nell’esempio di Newton, il percorso è un’ellisse.

Un veicolo spaziale segue lo stesso principio generale: un razzo gli fornisce la spinta iniziale e poi continua a cadere intorno al corpo celeste. I propulsori permettono di effettuare regolazioni occasionali; non devono restare accesi perché il veicolo continui a orbitare.

Gravità e caduta libera

Per muoversi lungo una traiettoria curva, un oggetto ha bisogno di un’accelerazione diretta verso il centro della curva. In un’orbita, l’attrazione gravitazionale reciproca tra il corpo centrale e l’oggetto fornisce questa accelerazione centripeta.

Perciò, la sensazione di assenza di peso a bordo non significa che la gravità sia scomparsa. Il veicolo spaziale e i suoi occupanti cadono insieme, in caduta libera, mentre la gravità continua a curvare il moto orbitale.

Periapside, apoapside e regolazioni orbitali

In un’orbita ellittica, la distanza dal corpo centrale varia. Il periapside è il punto più vicino e l’apoapside quello più lontano. Sono termini generali; si usano nomi specifici in base al corpo orbitato, come perigeo e apogeo per la Terra, e perielio e afelio per il Sole.

L’energia che un veicolo aggiunge o sottrae in punti diversi cambia la forma del suo percorso. Secondo la spiegazione della NASA, aumentare l’energia all’apoapside innalza il periapside; aumentarla al periapside innalza l’apoapside. Ridurre l’energia in uno di questi punti abbassa l’altitudine del punto opposto. Queste manovre possono essere eseguite accendendo i propulsori di bordo.

È anche possibile sottrarre energia orbitale entrando deliberatamente e con cautela nell’atmosfera per sfruttare l’attrito. Questa tecnica si chiama aerofrenamento; la NASA segnala che è stata utilizzata su Venere e Marte e che permette di risparmiare propellente.

Le leggi di Keplero e il moto orbitale

Le leggi di Keplero descrivono le caratteristiche del moto orbitale. La prima stabilisce che l’orbita di ciascun pianeta è un’ellisse con il Sole in uno dei fuochi, salvo perturbazioni causate da altri oggetti. La seconda mette in relazione il moto con la velocità: un oggetto su un’orbita molto ellittica si muove più rapidamente quando è vicino al Sole che quando è lontano. La terza mette in relazione il periodo orbitale con il semiasse maggiore dell’orbita e le masse degli oggetti che ruotano l’uno attorno all’altro.

L’idea di base dell’esperimento di Newton è ancora utile per comprendere il volo spaziale: un oggetto orbita perché cade continuamente mentre avanza, e le variazioni di energia possono modificarne il percorso.

Fonti: NASA, «Gravity & Mechanics: How Orbits Work»; NASA, «Gravity & Mechanics: Acceleration in Orbit and Kepler’s Laws»; NASA, «Gravity & Mechanics: Gravitation».