Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it 1. SATELLITI ARTIFICIALI Carlo Sintini 1. IL MOTO DEI SATELLITI Il 4 ottobre 1957 venne lanciato il primo satellite artificiale intorno alla terra, ebbe inizio l'era spaziale e l'opinione pubblica cominciò a conoscere dai mass media i concetti fondamentali della navigazione spaziale ed i termini ad essa relativi, come velocità di fuga, orbita terrestre, satellite geostazionario, ecc. Quanti però conoscono realmente il significato fisico e matematico che si nasconde dietro tali termini ? Supponiamo di trovarci su un'alta montagna come mostrato nella figura a fianco, e di lanciare un corpo in direzione orizzontale verso la pianura sottostante. Effettuando diversi lanci a velocità crescente potremo notare che il corpo cadrà sempre più lontano secondo un'orbita che sappiamo essere una parabola con asse verticale e concavità verso il basso. Con maggiore precisione possiamo affermare (e lo proveremo), che si tratta in realtà di una ellisse fortemente eccentrica: lo scostamento dalla parabola, inizialmente insensibile, diverrà sempre più evidente man mano che la gittata aumenta e non sarà più possibile ritenere parallele fra loro le verticali nel punto di partenza e nel punto di arrivo. La traiettoria ellittica ha un fuoco nel centro della terra e, se si scavasse una galleria il corpo descriverebbe l'intera ellisse e tornerebbe nel punto di partenza con la stessa velocità iniziale con cui era partito (naturalmente trascurando l'attrito con l'aria). Per velocità iniziali sempre più elevate la traiettoria si fa meno eccentrica fino a quando, con una velocità di circa 28.000 Km/h il corpo percorrerebbe una traiettoria perfettamente circolare mantenendosi sempre alla stessa quota costante ed effettuando un giro completo intorno alla terra in circa un'ora e mezza. Per velocità maggiori il corpo descriverà sempre una ellisse, ma la terra si troverà nell'altro fuoco: in altre parole con una velocità iniziale minore di quella caratteristica della circonferenza (28.000 Km/h) il punto di partenza del corpo costituirà il perigeo dell'orbita, mentre per velocità maggiori il punto di partenza costituirà l'apogeo. 1 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it 2. ENERGIA POTENZIALE IN UN PUNTO L'energia potenziale gravitazionale in funzione della distanza x dal corpo di massa M che genera il campo, è U = −G Mm X Infatti l'energia potenziale aumenta all'aumentare di x, deve essere nulla all'infinito, e perciò in tutti i punti intermedi deve avere valore negativo. La funzione rappresenta una iperbole equilatera con gli asintoti coincidenti con gli assi coordinati. 3. LA TRAIETTORIA DI UN SATELLITE Si abbia un pianeta di massa M ed un satellite di massa m con velocità V, ad una distanza r dal pianeta. Per il principio di conservazione dell'energia, la somma della sua energia cinetica e della sua energia potenziale è costante 1 Mm mV 2 − G =E 2 r Le due componenti della velocità V lungo la direzione radiale e lungo la direzione trasversale sono dr Vr = V cos α = dt V = V sen α = r dϕ ϕ dt (dove dϕ dr è una comune velocità mentre è una velocità angolare). dt dt Sostituendo nella relazione precedente, si ha 2 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it 1 Mm =E m(Vr2 + Vϕ2 ) − G r 2 2 2 1 dr Mm dϕ m + r =E+G 2 dt r dt Ma il momento della quantità di moto del satellite è dϕ p = r ∧ q = r ⋅ mVϕ = r ⋅ m ⋅ r dt da cui si ricava che r p dϕ = dt mr e sostituendo si ottiene 2 p2 1 dr Mm m + 2 2 = E + G 2 dt m r r 2 2 1 dr Mm p m = E + G − 2 2 2 dt r mr p2 dr 2E 2GM =± + − 2 2 dt m r mr Questa equazione differenziale si può integrare facilmente per separazione di variabili, e si ottiene la variazione di r in funzione di t, cioè la legge oraria del moto, ma noi intendiamo invece ricavare la traiettoria del satellite, non la legge oraria. Dalle due relazioni p dϕ = dt mr 2 2 dr = ± 2E + 2GM − p dt m r m2r 2 occorre quindi eliminare il parametro t. Si dovrà ottenere una funzione del tipo ϕ = f (r ) . Dividendo membro a membro e semplificando, si ottiene dϕ 1 = 2 dr r dϕ 1 = 2 dr r ±1 2Em 2GMm 2 1 + − 2 2 2 p rp r ±1 p2 2Em GMm − 2 − 1 − + p Er 2Emr 2 In questa espressione poniamo ora p2 − = b2 2Em e − GMm = 2a E 3 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it dove a e b hanno entrambe le dimensioni di una lunghezza e sono entrambe positive (come vedremo in seguito rappresentano i semiassi della ellisse descritta dal satellite). Sostituendo si ha dϕ = dr r2 ±1 1 b2 dr dϕ = 2 r 2a b 2 − + − 2 1 r r ±b 2a b 2 −1+ − 2 r r Integriamo i due membri con tre sostituzioni successive: 1° SOSTITUZIONE Ponendo t = 1/r (10) otteniamo si ha dt/dr = -1/r2 dϕ = 2° SOSTITUZIONE Ponendo s = b2t-a si ha dr = -r2 dt e sostituendo nella ∓ bdt − 1 + 2at − b 2 t 2 t = (s + a)/b2 dt = ds/b2 e sostituendo si ottiene dϕ = ∓ ds a 2 − b2 − s 2 3° SOSTITUZIONE Ponendo z = s a −b 2 2 e sostituendo si ottiene infine dϕ = ∓ dz a 2 − b 2 a 2 − b 2 − z 2 (a 2 − b 2 ) = ∓ dz 1 − z2 che è un integrale immediato e fornisce ϕ = arccos z + ϕ 0 dove la costante di integrazione φ può essere posta uguale a zero con una opportuna 0 scelta della misura dell'angolo φ, e il doppio segno sparisce perché cosz = cos(-z). Si ha quindi, sostituendo al contrario fino a tornare alla variabile iniziale z b2 −a s b2t − a r ϕ = arccos z = arccos 2 = arccos 2 = arccos 2 a − b2 a − b2 a − b2 4 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it b2 −a r cos ϕ = a 2 − b2 b2 −a ϕ = arccos r 2 2 a b − che è appunto la funzione del tipo ϕ = f (r ) che volevamo ottenere. 4. L'ELLISSE IN COORDINATE POLARI Data una ellisse con semiassi a e b e semi distanza focale c = a2 − b2 immaginiamo che un pianeta, per esempio la terra, si trovi nel fuoco F e un satellite si trovi 1 invece in un generico punto P dell'ellisse. Si ha (applicando il teorema di Carnot) F1 P = r F2 P = r 2 + 4c 2 − 4rc cos ϕ Ma deve anche essere F1 P + F2 P = 2a e perciò r + r 2 + 4c 2 − 4rc cos ϕ = 2a isolando il radicale, elevando al quadrato e semplificando si ottiene b2 = a − c ⋅ cos ϕ r che è facile constatare come sia perfettamente identica alla ultima relazione incorniciata del paragrafo precedente. Quindi la traiettoria descritta da un satellite avente velocità V è una ellisse i cui parametri a b e c possono essere calcolati ricorrendo alle formule precedenti. 5 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it Domandiamoci però come avremmo dovuto cambiare il procedimento se il pianeta si fosse trovato nel fuoco F invece che 2 nel fuoco F . 1 Dalla figura si può vedere che con un procedimento analogo si ottiene F1 P = r 2 + 4c 2 − 4rc cos(π − ϕ ) = r 2 + 4c 2 + 4rc cos ϕ F2 P = r e l'equazione dell'ellisse diviene in questo caso b2 = a + c ⋅ cos ϕ r con un solo segno diverso. 5. CONCLUSIONI SULLA TRAIETTORIA Quindi un corpo nello spazio, avente massa m e velocità V rispetto ad un pianeta di massa M, descrive una traiettoria data dalla equazione polare r= a(1 − ε 2 ) 1 − ε cos ϕ dove e = c/a è l'eccentricità (<1 per l'ellisse, >1 per l'iperbole) e l'angolo ϕ non va confuso con l'angolo α (vedi figura seguente). In altre parole la traiettoria è sempre una ellisse o una iperbole a seconda che l'energia totale E (espressa dalla formula vista all'inizio) sia negativa o positiva: nel primo caso il satellite è prigioniero del campo gravitazionale del pianeta, e descrive ciclicamente sempre la stessa traiettoria; nel secondo caso invece il campo gravitazionale del pianeta riesce soltanto a deviare il satellite dalla sua direzione iniziale. Nel caso che tale energia E sia nulla, dalla espressione ricavata dal principio di conservazione dell'energia si ottiene (nel caso che il pianeta sia la terra e quindi sostituendo ad M la massa della terra) V= 2GM = r 2 ⋅ 6,67 ⋅ 10 −11 ⋅ 5,98 ⋅ 1024 = 11200 m sec = 40287 km h 6 6,37 ⋅ 10 che rappresenta la velocità di fuga, cioè la velocità che deve avere un razzo perché riesca a liberarsi dal campo gravitazionale terrestre: per velocità minori esso diverrà 6 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it un satellite terrestre, mentre per velocità maggiori esso si perderà nello spazio lungo una traiettoria iperbolica. Questa velocità di fuga prende anche il nome di PRIMA VELOCITA' DI FUGA. Se nella formula poniamo invece la massa del sole, si ottiene la SECONDA VELOCITA' DI FUGA, cioè la velocità che deve avere il razzo per sfuggire al campo gravitazionale del sistema solare. Infine (sostituendo ad M la massa dell'intera galassia cui apparteniamo), si può determinare la TERZA VELOCITA' DI FUGA, necessaria per sfuggire al campo gravitazionale della galassia. 6. SATELLITI GEOSTAZIONARI Con riferimento alla figura a fianco, supponiamo che la velocità V sia soltanto trasversale, cioè supponiamo che α = 90° (sarà quindi V = 0 r e V = V). f La forza di gravità agente sul satellite a causa dell'attrazione del pianeta, deve essere esattamente uguale e contraria alla forza centrifuga dovuta alla rotazione del satellite. Quindi Mm V2 G =m (r + h) 2 r+h V= GM r+h ponendo: G = 6,67 ⋅ 10 −11 M = 6,98 ⋅ 10 24 r = 6,37 ⋅ 10 6 si ottiene, per vari valori della quota h h=0 h = 1000 Km h = 3000 Km ......................... V = 28.476 Km/h V = 26.484 Km/h V = 23.484 Km/h ........................ Con tali velocità il satellite descrive una perfetta circonferenza. Si può notare che all'aumentare della quota la velocità diminuisce. Se calcoliamo anche il periodo T in funzione della quota h, si ricava il secondo grafico della figura seguente, in cui il periodo passa dal valore iniziale di 1 ora e 25 minuti nel caso in cui h=0 (valore teorico che non tiene conto della presenza frenante dell'atmosfera), a valori sempre più grandi. 7 Carlo Sintini Satelliti artificiali www.matematicamente.it La formula con cui si può calcolare il periodo in funzione della quota si ricava dalla formula incorniciata V2 = GM r+h Sostituendo nel primo membro la formula che esprime la velocità tangenziale nel moto circolare uniforme, si ha 4π 2 (r + h) 2 GM = 2 T r+h cioè, semplificando 4π 2 T = (r + h) 3 GM 2 che rappresenta anche la TERZA LEGGE DI KEPLERO. Risolvendo rispetto a T si ottiene (r + h) 3 T = 2π GM e risolvendo invece rispetto ad h si ha h= 3 T 2 GM −r 4π 2 Ponendo T = 24 ore = 86400 sec si ottiene h = 42000 Km. Quindi un satellite con questa velocità trasversale (α α = 0) si muove lungo una perfetta circonferenza e compie un giro intero in un giorno esatto. Se poi la velocità trasversale è parallela e concorde alla velocità della terra, esso sembrerà immobile rispetto alla terra stessa ed occuperà sempre la stessa posizione nel cielo. I satelliti geostazionari usati per le comunicazioni intercontinentali hanno appunto tale caratteristica. 8