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I moti dei pianeti e la forza di gravità

La Terra fa parte di un insieme di corpi celesti, detto Sistema Solare, al centro del quale c'è il Sole. Oltre al Sole, che è di gran lunga il corpo maggiore, questo sistema comprende i pianeti (che girano intorno al Sole), i satelliti (che girano, a loro volta, intorno ai pianeti) e numerosi altri oggetti più piccoli.
Come vedrai nella scheda qui sotto, questa concezione del Sistema Solare, che va sotto il nome di teoria eliocentrica (dal greco hélίοs = "Sole"), si affermò per merito dello studioso polacco Niccolò Copernico (1473-1543).

La Rivoluzione Copernicana

I filosofi dell'antica Grecia credevano che la Terra fosse ferma al centro dell'Universo e che tutti i corpi celesti girassero intorno ad essa (teoria geocentrica – tolemaica – , dal greco ghé = "Terra"). Cercando di interpretare i moti degli astri in base a questa teoria, essi incontrarono però gravi difficoltà. Infatti, mentre la Luna (che gira intorno alla Terra) descrive semplicemente un arco nel cielo, i pianeti (che girano intorno al Sole) percorrono, rispetto alla Terra, traiettorie complicate.

Vi fu nel mondo greco un geniale pensatore (Aristarco di Samo, III secolo a.C.), che intuì che i moti dei pianeti si spiegavano facilmente se si ammetteva che essi girassero intorno al Sole anziché intorno alla Terra. Ma le idee di Aristarco vennero rifiutate dai suoi contemporanei.
Soltanto nel 1543 la teoria eliocentrica venne riaffermata da Niccolò Copernico. Le opposizioni furono fortissime, ma ben presto in favore della teoria di Copernico si accumularono prove schiaccianti. Soprattutto importanti furono le osservazioni compiute da Galileo col telescopio di recente inventato, che rivelarono, per esempio, che intorno al pianeta Giove orbitavano quattro satelliti: ciò, infatti, dimostrava che non era vero che tutti í corpi celesti girassero intorno alla Terra. Copernico tolse all'uomo l'illusione di essere al centro dell'Universo. Ma la nuova concezione della realtà da lui affermata apri la strada ai progressi della scienza moderna. Perciò la svolta, di immensa portata, che egli segnò nella storia del pensiero umano viene detta rivoluzione copernicana.

Copernico pensava che le orbite dei pianeti fossero circonferenze con centro nel Sole. Ciò, però, è vero solo approssimativamente. Infatti, l'astronomo tedesco Giovanni Keplero (1571-1631) si accorse che esse erano delle ellissi. In ordine di distanza dal Sole, essi sono: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone. Il raggio (medio) dell'orbita della Terra (circa 150 milioni di chilometri) prende il nome di unità astronomica (UA) e viene usata come unità di misura per le distanze fra i corpi del Sistema Solare. Tutti i pianeti, così come la Terra, girano su se stessi (moto di rotazione) oltre che intorno al Sole (moto di rivoluzione). La Terra compie un giro su se stessa (periodo di rotazione) in 24 ore e un giro intorno al Sole (periodo di rivoluzione) in un anno. I moti di rotazione degli altri pianeti sono più o meno veloci: Giove per esempio ha un periodo di rotazione di 10 ore, mentre Venere ne ha uno di ben 243 giorni. I periodi di rivoluzione presentano poi una precisa regolarità. Infatti, I pianeti più lontani dal Sole non soltanto hanno orbite più lunghe, ma le percorrono più lentamente. Pertanto I loro periodi di rivoluzione aumentano fortemente con la distanza: Mercurio (il pianeta più vicino al Sole) ha un periodo di rivoluzione di 88 giorni; la Terra (che è in posizione intermedia) di 365 giorni; Plutone (il pianeta più lontano) di 248 anni. Vi sono altre caratteristiche dei moti dei pianeti che, come vedremo, sono importanti per capire quale sia stata l'origine del Sistema Solare:

• le orbite di tutti I pianeti giacciono press'a poco in uno stesso piano (il piano dell'eclittica);
• tutti i pianeti percorrono le loro orbite nello stesso senso;
• salvo due eccezioni (Venere e Urano), tutti i pianeti ruotano su se stessi nello stesso senso nel quale girano intorno al Sole.

Le leggi di Keplero


Esaminando accuratamente, e con straordinaria pazienza (i calcolatori elettronici sarebbero stati disponibili solo quattro secoli più tardi!), i dati raccolti nel corso di un gran numero di osservazioni astronomiche, Keplero stabilì le seguenti tre leggi riguardanti il moto di rivoluzione dei pianeti intorno al Sole.
I legge di Keplero: i pianeti compiono attorno al Sole orbite ellittiche, di cui questo occupa uno del due fuochi. Perciò un pianeta non si trova sempre alla stessa distanza dal Sole (il punto in cui esso è più vicino al Sole si chiama perielio; quello in cui è più lontano, afelio).
II legge dl Keplero: il raggio (vettore) che unisce il pianeta al Sole descrive aree uguali in tempi uguali. Quindi la velocità con cui un pianeta si muove non è costante: essa aumenta quando il pianeta si avvicina al Sole (è massima nel perielio), diminuisce quando se ne allontana (è minima nell'afelio).
III legge dl Keplero: il quadrato del periodo di rivoluzione (il tempo necessario a percorrere l'intera orbita) è proporzionale a! cubo dell'asse maggiore dell'orbita. Perciò il periodo di rivoluzione di un pianeta è tanto maggiore quanto più esso è lontano dal Sole.

Su di un pianeta, agisce una forza attrattiva, esercitata dal Sole. Questa forza attrattiva, chiamata forza di gravità, si esercita fra due corpi qualsiasi.
Infatti la legge di gravitazione universale, formulata da Isaac Newton (1643-1727), afferma che: due corpi qualsiasi si attraggono con una forza, la cui intensità (F) aumenta al crescere delle loro masse (m e M) e diminuisce all'aumentare della loro distanza (d). Più precisamente:


[math]F = \frac{G*m*M}{d^2} [/math]

G è una costante che prende il nome di costante di gravitazione universale; se si misurano le masse in chilogrammi, la forza in newton e le distanze in metri, è: G = 0,000 000 000 067. La piccolezza di questo numero fa capire che Ιa forza di gravità è apprezzabile solo se almeno uno dei due corpi ha una massa molto grande. Nell'esperienza comune, infatti, noi ci accorgiamo che la Terra (che ha una massa enorme) attira tutti i corpi, ma non che i vari corpi si attirano l'un l'altro.

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