GRAVITAZIONE UNIVERSALE Gravitazione Universale • Newton scoprì la legge della gravitazione universale attorno alla metà del '600. Si dice che egli fosse rifugiato in campagna durante una epidemia di peste e che un giorno, dalla caduta di una mela, egli intuisse l'universalità della forza di gravità. L'ipotesi copernicana "costringeva" gli scienziati a chiedersi perché i corpi ruotassero attorno al sole, in quanto la filosofia di Aristotele non era più sufficiente a soddisfare questi interrogativi. Se la mela cade, per il principio d'inerzia (già scoperto da Galileo), una forza deve agire su di essa, se no essa dovrebbe permanere nel suo stato di quiete. Anche la luna, per ruotare attorno alla terra, deve risentire dell'azione di una forza (centripeta) che le fa compiere un moto circolare (non rettilineo uniforme). Newton intuì che la forza che fa cadere la mela è la stessa che fa ruotare la luna attorno alla terra ! Newton scoprì che la forza gravitazionale è una forza universale, che agisce qui sulla terra e fuori da essa, in ogni luogo dell'universo. La formula della gravitazione universale di Newton afferma essenzialmente che la forza gravitazionale fra due corpi è direttamente proporzionale alle masse dei due corpi ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra essi. La teoria della gravitazione universale di Newton rappresenta il primo grande esempio di unificazione delle leggi fisiche della storia : tutti i fenomeni gravitazionali presenti nell'universo vengono spiegati con una semplice formula !!! Formulazione matematica della forza di gravità. • Consideriamo due corpi materiali, che per semplicità considereremo sferici ed omogenei, di massa e , posti ad una distanza d fra i loro centri (che coincidono, data la simmetria sferica, con i loro centri di massa o baricentri, punti in cui si può considerare concentrata tutta la massa dei corpi) : La formula matematica che descrivere la forza di gravità che si instaura fra due corpi è : dove F è la forza di gravità e G è la cosiddetta costante di gravitazione universale. Come abbiamo già affermato, questa forza è direttamente proporzionale alle masse dei corpi ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra essi. Costante di gravitazione universale. La costante di gravitazione universale G vale, nel sistema di misura internazionale (S.I.) circa, e si misura in (ovvero newton per metro quadro fratto chilogrammo quadro). Questa unità di misura si ottiene dalla formula ricavando G: Una delle misure terrestri "classiche" di essa è stata eseguita da Cavendish (1798) usando una bilancia a torsione. BILANCIA A TORSIONE Ad un filo di acciaio e' appesa una sbarra alle cui estremità sono collegate due sfere di massa m. Al filo e' saldato uno specchio illuminato da un proiettore. La luce riflessa dallo specchio giunge su una scala graduata. Due ulteriori sfere di massa M sono all'inizio tenute lontane dalla sfere più piccole. Spostiamo ora le sfere più grandi vicino alle sferette. La forza di gravita' farà in modo da influenzare l'oscillazione della sbarra spostando il centro delle oscillazioni Conoscendo la forza F, le masse delle due sfere e la loro distanza r si può calcolare G ESEMPIO Consideriamo un corpo di 70 kg e chiediamoci con quale forza gravitazionale (il suo peso) esso è attratto dalla terra. Sia m la massa del corpo (pari a 70 kg ) e sia M la massa della terra (pari a circa kg ). Sia R il raggio terrestre (circa m ). Applicando la formula di Newton si ha allora : Come possiamo verificare l'esattezza di questo risultato ? Noi sappiamo che ogni corpo, qui sulla superficie terrestre, cade con la stessa accelerazione che è indipendente dalla massa del corpo (consideriamo l'attrito con l'aria trascurabile). Questa accelerazione, detta accelerazione di gravita, è denominata con g e vale circa 9,81 m/s² Per la seconda legge della dinamica si ha : F=m·g Il problema dell’azione a distanza La legge di gravitazione implica la presenza di almeno due masse che si attirano vicendevolmente, senza toccarsi anche se si trovano a notevole distanza. Una massa m, avvicinandosi a un'altra massa M, sembra sentire in qualche modo la sua presenza e interagisce con essa; ma come, se l'interazione avviene quando le due masse sono ancora molto lontane e non si toccano? Già Newton si era posto questi interrogativi e poiché la forza gravitazionale agiva anche tra pianeti lontanissimi, non riuscendo a capire come ciò avvenisse ( Hypotheses non fingo) aveva ugualmente ipotizzato "una interazione a distanza istantanea" tra i due corpi. Una simile interazione era piuttosto strana e per spiegarla gli scienziati in un primo tempo pensarono che un mezzo elastico, detto etere, riempisse tutto l'universo. L’etere era invisibile e impalpabile in quanto nessuno lo aveva mai visto e aveva la funzione di intermediario tra i due corpi: la massa m, agiva sull'etere; questo a sua volta trasmetteva l'azione alla massa M2 e viceversa. Nacque cosi la teoria dell'etere, che durò oltre duecento anni, fino all'inizio del XX secolo. Tuttavia, nel 1800, Faraday cominciò a pensare all'idea di un campo, cioè di una regione dello spazio perturbata dalla presenza di qualcosa come la massa, la carica elettrica o altro e la sua idea fu poi definitivamente confermata da Maxwell alla fine del secolo e da Einstein all'inizio del 1900. Si dimostrò, infatti, che un effetto fisico, ad esempio la luce, può propagarsi nel vuoto, senza la presenza dell'etere, ma con velocità finita e questa affermazione sta alla base della teoria della relatività ristretta che Einstein formulò nel 1905. Nasce così, per spiegare l'azione a distanza delle forze, il concetto di campo. Il caso più comune è quello del campo gravitazionale, ma il concetto di campo ha carattere generale e lo troveremo ogni volta che parleremo di forze che agiscono a distanza, per esempio nel caso delle forze elettriche o delle forze magnetiche. Per definire un campo, possiamo dire che: o un campo è la perturbazione generata da una massa o da una carica elettrica qualsiasi nello spazio circostante, che provoca forze gravitazionali o elettriche su eventuali altre masse o altre cariche presenti in quella regione di spazio. IL VETTORE DEL CAMPO Secondo la legge di gravitazione di Newton, il modulo della forza gravitazionale esercitata su una massa M2 da una massa M1, situata a una distanza r dalla prima è Invece di scrivere una legge della forza per il caso di una particolare massa M2, dividiamo entrambi i membri dell'equazione per M2: Il secondo membro di questa espressione dipende ora solo dalla distanza di M2 da M1, e non dalla massa di M2. Il secondo membro è una descrizione del campo gravitazionale a questa distanza dovuto alla massa-sorgente e resterà immutato qualunque sia la massa M2 collocata in questa posizione. La nuova grandezza sarà denotata con g: dove la massa-sorgente M1 è ora indicata con M. Le dimensioni di g sono quelle di una forza divisa per una massa, ossia di un'accelerazione. Poiché la forza gravitazionale Fgrav è un vettore, la grandezza g è anch'essa un vettore. La descrizione completa del campo gravitazionale (modulo e orientazione) dovuto alla massa-sorgente M in un punto qualsiasi P è data da g, il vettore campo gravitazionale LINEE DI FORZA Supponiamo di cominciare a disegnare una carta del campo della forza gravitazionale intorno a una certa massa-sorgente M, misurando la forza agente su una piccola massa di prova. P g M I risultati di tali misurazioni possono essere rappresentati per mezzo di una serie di frecce. La lunghezza di ciascuna freccia è proporzionale alla forza gravitazionale all'estremo della freccia (cioè, all'estremo opposto alla punta) e l'orientazione della forza è data dall'orientazione della freccia. LAVORO DELLA FORZA GRAVITAZIONALE Per sollevare una palla da bowling da terra e riporla su uno scaffale, bisogna fare del lavoro. Una volta sullo scaffale la palla da bowling ha energia cinetica zero (essendo ferma), proprio come quando era a terra. Ciononostante il lavoro fatto nel sollevare la palla non è andato perso. Se si permette alla palla di cadere dallo scaffale, la gravità compie su di essa la stessa quantità di lavoro che avevamo fatto per sollevarla. In definitiva, il lavoro che abbiamo fatto, viene “restituito” sotto forma di energia cinetica. Perciò diciamo che quando la palla viene sollevata in una nuova posizione c’è un aumento di energia potenziale U, e che questa energia potenziale può essere restituita sotto altra forma quando la palla cade. Poiché l’energia potenziale acquistata è il lavoro svolto per sollevare l’oggetto, si presenta un primo problema e cioè quello di stabilire se il calcolo del lavoro svolto da una forza su un oggetto è indipendente dal cammino scelto. Studiamo questo problema calcolando il lavoro per portare un oggetto di massa m dalla posizione A alla posizione B seguendo due o più cammini diversi. Lungo il cammino 1 il lavoro è uguale alla forza (mg) diretta verticalmente moltiplicata( prodotto scalare) per lo spostamento obliquo AB. Il modulo di un prodotto scalare si calcola facendo il prodotto dei due moduli per il coseno dell’angolo compreso. Dunque avremo L=mg AB cos(90°+a)=-mg(ABsena)= Lungo il cammino 2 avremo che il lavoro è dato dalla somma tra il lavoro per andare da A a C e quello per andare da C a B. Ma il lavoro per andare da A a C è nullo essendo forza e spostamento perpendicolari e dunque avremo L= mgBCcos180°=-mgh. Quindi il risultato non dipende dal cammino scelto. Si può dimostrare che qualunque sia il cammino il lavoro per andare dalla posizione A alla posizione B dipende solo da posizione iniziale e finale. Si dice allora che le forze in gioco (la forza gravitazionale) sono conservative. Vediamo come si calcola l’energia potenziale gravitazionale acquistata da un oggetto che viene alzato di una quota h. Essendo la forza (gravitazionale) e lo spostamento paralleli, il prodotto scalare si trasforma in un prodotto algebrico. -ΔU=mgh Dalla legge di gravitazione possiamo capire che la formula Lg=mgΔh, che esprime il lavoro della gravità, è valida solo per valori piccoli di Δh. Infatti, man mano che ci si allontana o avvicina alla Terra (o ad un altro corpo celeste), il valore di g è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal suo centro. Lg = m ⋅ g ⋅ ( r2 − r1 ) Δh = r2 − r1 g = GM / r 2 = GM / r1r2 "1 1 % Lg = GMm ( r2 − r1 ) / r1r2 = GMm $ − ' # r1 r2 & dove r1 è la distanza iniziale dal centro della Terra e r2 quella finale. Poiché il lavoro della gravità è l’opposto della variazione di energia potenziale , abbiamo che dove ΔU è il cambiamento di energia potenziale che il corpo subisce passando dalla distanza r1 a quella r2 dal centro della Terra. Se supponiamo di spostare una massa da una posizione iniziale all’“infinito” (r2 distanza infinita), il secondo termine del secondo membro di questa relazione diverrà zero per cui, chiamando r la distanza del nostro corpo dal centro della Terra, avremo Mm U =G r Infatti l’energia potenziale gravitazionale di una massa m a distanza r da M rappresenta il lavoro compiuto dalla forza gravitazionale quando m si sposta dal punto iniziale all’infinito qualunque sia il percorso. ENERGIA POTENZIALE GRAVITAZIONALE Abbiamo trovato che l'energia potenziale gravitazionale di una massa di prova m situata a una distanza r da una massasorgente M è Mm U =G r IL POTENZIALE GRAVITAZIONALE Come nel caso del vettore forza gravitazionale e del vettore campo gravitazionale, se si divide l'energia potenziale gravitazionale per m si ottiene una grandezza che è caratteristica della massa-sorgente M e non dipende dalla massa di prova. Questa grandezza è chiamata potenziale gravitazionale ed è denotata con il simbolo V: U M V= m =G energia potenziale per unità di massa. r MASSA INERZIALE E MASSA GRAVITAZIONALE Esistono quindi due tipi di massa : la massa inerziale, quella che compare nella formula del II principio della dinamica : e la massa gravitazionale, quella che compare nella formula della legge di gravitazione : . La massa inerziale indica la "resistenza" che un corpo oppone alla variazione del suo stato di moto. La massa gravitazionale indica la "capacità" che hanno i corpi di attirarsi gravitazionalmente. Grazie ad esperimenti sofisticati, si verifica che massa inerziale e massa gravitazionale coincidono (con grande precisione), e questo fatto non è ovvio tanto da rappresentare una nuova legge di natura che Einstein chiamò principio di equivalenza. L'equivalenza fra i due tipi di massa costituisce la base logica su cui si fonda la teoria della relatività generale.