Riassunto esame fisica sperimentale, prof. Straulino, libro consigliato Lezioni di astronomia. Per gli studenti di Scienze della formazione primaria, Straulino

Sezioni di astronomia per gli studenti di scienze della formazione primaria

Introduzione

Lo studio dei corpi celesti ha affascinato generazioni di uomini a partire dai tempi più remoti. Nell’antichità classica, gli astronomi avevano costruito un modello del cosmo che, ponendo la Terra al centro del mondo, permetteva di conoscere con precisione la posizione delle stelle e dei pianeti in qualsiasi momento e di fare previsioni sui loro movimenti. Fino all’inizio del XVII secolo tutte le osservazioni avvenivano ad occhio nudo. L’astronomia degli antichi era una scienza molto raffinata, tuttavia i meccanismi che spiegavano le leggi del cosmo erano spesso assai complicati.

Nel Rinascimento, alcuni studiosi cominciarono a capire che, se si poneva il Sole anziché la Terra al centro dell’Universo, la descrizione del moto dei pianeti si semplificava. L’avvento, poi, del cannocchiale permise di osservare alcuni dettagli decisivi che portarono all’affermazione della teoria eliocentrica. Soltanto nel XX secolo gli scienziati hanno compreso quale sia la composizione delle stelle e quali i meccanismi che ne regolano il funzionamento: si è capito allora che le stelle non sono affatto corpi immutabili e incorruttibili.

Capitolo 1: La legge di gravitazione universale

La Terra è uno dei pianeti che appartengono al Sistema Solare, un insieme di corpi celesti con struttura e dimensioni molto diverse, fra i quali agiscono forze di attrazione reciproca. L’attrazione che si esercita fra questi corpi è descritta dalla legge della gravitazione universale di Isaac Newton che afferma che, fra due corpi qualsiasi di massa m₁ e m₂, posti a una distanza d molto più grande delle loro dimensioni, si esercita una forza attrattiva che può essere scritta in questa formula:

F = G (m₁m₂)/d²

Il fattore G è chiamato costante di gravitazione universale e nel Sistema Internazionale ha un valore di circa 6,7 × 10⁻¹¹ N·m²/kg². L’attrazione gravitazionale è presente fra qualunque coppia di masse nell’Universo. L’unità di misura delle forze nel Sistema Internazionale è il Newton (N).

Consideriamo una persona di massa m che si trova sulla superficie della Terra e scriviamo l’espressione della forza che agisce fra la persona e il nostro pianeta. Consideriamo la massa del pianeta M_T localizzata nel centro del globo e, quindi, la distanza fra le due masse considerate è uguale al raggio terrestre:

F = G (m₁m₂)/R² = m(G M_T/R_T²) = m × g

dove g è una costante di proporzionalità che si chiama accelerazione di gravità. g è costante sulla superficie terrestre ed è uguale a 9,8 m/s². Qualunque oggetto in caduta sulla Terra è sempre sottoposto a un’accelerazione verso il basso. Se l’accelerazione è costante, la velocità dell’oggetto in caduta aumenta progressivamente con il tempo seguendo questa legge oraria:

s = (1/2)gt²

dove s è lo spazio percorso dalla posizione iniziale e t è il tempo. Questa relazione è valida se l’oggetto parte da fermo, cioè se la velocità iniziale è uguale a zero. Invertendo la formula si ricava il tempo necessario a percorrere lo spazio per un oggetto in caduta che parte da fermo.

Galileo Galilei riesce a descrivere correttamente il moto di caduta libera. Comprende che la velocità di un oggetto che cade aumenta progressivamente, ma intuisce anche che la resistenza dell’aria cresce con la velocità di caduta e fa sì che il corpo raggiunga una velocità massima, che da un certo istante in poi rimane costante.

Responsabile del movimento verso il basso, il moto di caduta libera è la forza di attrazione che la Terra esercita sui corpi che si trovano sulla superficie. Prendiamo due fogli identici e appallottoliamo uno dei due. Se li lasciamo cadere insieme vediamo che il foglio steso impiega molto più tempo ad arrivare a terra. Dato che i due fogli sono uguali e solo la forma è diversa, l’esperimento ci suggerisce che l’aria che i fogli devono attraversare abbia un ruolo importante nella loro caduta. Galileo comprende chiaramente che l’aria è un “impedimento” alla caduta degli oggetti.

Consideriamo l’attrazione che si esercita fra due corpi celesti qualsiasi, in particolare fra il Sole e un pianeta, e cerchiamo di capire perché il pianeta, attratto dal Sole mediante la forza di gravità, non cade su di esso.

Se nessuna forza agisse sul pianeta, questo si muoverebbe di moto rettilineo uniforme, come è stabilito dal primo principio della Dinamica. L’attrazione gravitazionale è pertanto necessaria per mantenere il pianeta in orbita attorno al Sole. La forza F, per il secondo principio della Dinamica, produce un’accelerazione a nella stessa direzione di F. In questo caso l’accelerazione corrisponde a una variazione della direzione della velocità verso il centro dell’orbita ed è chiamata pertanto accelerazione centripeta. Questo accade tutte le volte che un oggetto viene mantenuto in rotazione attorno a un asse: è necessario un vincolo che impedisca all’oggetto il moto di allontanarsi. Nel caso dei pianeti è l’attrazione gravitazionale del Sole che funziona da vincolo.

Il Sole è il centro di attrazione del Sistema Solare grazie alla sua massa. I pianeti, fra cui la Terra, si muovono attorno al Sole percorrendo orbite che hanno la forma di un’ellisse. Le orbite dei pianeti giacciono approssimativamente nello stesso piano. Molti pianeti hanno uno o più corpi minori, i satelliti, che orbitano attorno a loro: la Luna è il satellite della Terra. La distanza media Terra-Sole è utilizzata come unità di misura e si chiama Unità Astronomica (UA).

Capitolo 2: Stelle e pianeti

La temperatura è la prima caratteristica che distingue le stelle (più di 3000 °C) dai pianeti (dai -200 °C ai +500 °C). L’altra caratteristica che li distingue, e che spiega anche la diversa temperatura, è la massa. Le stelle sono sfere di gas molto caldo, soggette alla loro stessa gravità: infatti, nelle stelle l’attrazione gravitazionale è così intensa che al loro interno la temperatura è straordinariamente alta e si innestano reazioni nucleari. L’energia liberata nelle reazioni nucleari raggiunge poi la superficie della stella e viene irradiata nello spazio. Una parte di questa è luce visibile, che può arrivare direttamente fino a noi. La luce dei pianeti, invece, ha origine dal Sole e ci arriva in maniera indiretta come radiazione diffusa dalla superficie di questi corpi celesti.

L’energia termica proveniente dall’interno della Terra non è sufficiente per far avviare delle reazioni nucleari, ma è la causa di fenomeni come eruzioni vulcaniche o terremoti. Il Sole è una stella di media grandezza, ma la sua “vicinanza” alla Terra ce lo fa apparire molto più luminoso e grande delle altre. Inoltre, a causa dell’atmosfera terrestre che diffonde la luce del Sole durante la giornata, le stelle non sono visibili durante il giorno. Per descrivere la luminosità delle stelle gli astronomi utilizzano il concetto di magnitudine.

La brillantezza che caratterizza una stella quando la osserviamo dal nostro pianeta dipende anche dalla sua distanza: via via che una sorgente di luce si allontana da noi ci appare più debole. Per questo motivo, dal nostro pianeta possiamo attribuire a un corpo celeste una magnitudine apparente. La magnitudine assoluta è invece quella che si osserverebbe dalla Terra, se la stella si trovasse a una distanza standard. In genere le stelle vengono identificate in base alla costellazione a cui appartengono. Le costellazioni sono gruppi di stelle a cui gli uomini a partire dall’antichità hanno dato nomi ispirati alle figure che gli astri sembrano disegnare nel cielo. Ma quasi mai le stelle di una costellazione sono davvero “vicine” fra loro: si tratta di un effetto prospettico.

Le stelle sembrano dei puntini luminosi incastonati sulla volta celeste: gli antichi le chiamavano stelle fisse. I pianeti sono molto più vicini a noi ed è per questo che dalla Terra possiamo percepire i loro movimenti rispetto alle stelle. Gli spostamenti del Sole e dei pianeti avvengono entro una “fascia” ristretta del cielo, in cui si trovano le costellazioni dello zodiaco. Mercurio e Venere sono chiamati pianeti interni, perché sono più vicini al Sole di quanto non lo sia la Terra. Poiché le loro orbite sono più piccole di quella del nostro pianeta, Mercurio e Venere sono visibili soltanto per un certo tempo dopo il tramonto o prima dell’alba. Inoltre, i pianeti interni presentano delle fasi analoghe a quelle della Luna, cioè non appaiono sempre come un disco luminoso, ma talvolta hanno un aspetto simile a questo: ☽.

• I pianeti visibili a occhio nudo sono 5: Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno.
• Urano e Nettuno sono stati osservati solo dal XVIII secolo in poi grazie al telescopio.

È possibile identificare i pianeti nel cielo distinguendoli dalle stelle poiché appaiono più luminosi e dotati di movimento.