mercoledì 25 gennaio 2017

Velocità nello Spazio: cosa viaggia a 8 km al secondo?





Dopo aver prodotto il post Tabelle dove cerco di aiutare a comprendere meglio quelle cifre con infiniti zeri che rappresentano i miliardi, i bilioni, i biliardi, i trilioni e così via (ed i corrispondenti tempi per raggiungere tali distanze se il mezzo di trasporto è ipoteticamente la luce oppure tecnologia umana), semplifichiamo ora un po' tutte quelle cifre che spesso ci vengono "sparate" con tanta disinvoltura, come se noi tutto fossimo ingegneri esperti di aerodinamica o piloti collaudatori.



Di solito comprendiamo quando si parla di km/h perché abbiamo familiarità con i nostri mezzi di trasporto preferiti, le macchine (vi consiglio di andare a vedere l'etichetta "comparazioni di velocità" oppure la seconda parte del post La Via Lattea).







Tuttavia quando cominciamo a dire km/s o metri/s, già non si capisce più niente poiché è cambiata l'unità di misura di riferimento e noi quotidianamente non la usiamo.

Molto semplicemente in questo breve post voglio proporre alcuni esempi per fare chiarezza sulle velocità. Passiamo subito allo strumento preparato apposta per l'argomento, una veloce e pratica tabella per farsi un quadro delle velocità di cui stiamo parlando, per il momento abbastanza semplificata ma conto più avanti di arricchirla con quanti più esempi possibile.

Per rispondere quindi alla domanda del titolo, la velocità da me scelta corrisponde ad un oggetto preciso, cioè la famosissima Base Spaziale Internazionale o ISS, che sempre veglia su di noi con un equipaggio a bordo, da una quota di oltre 400 km . (in fondo al post una sopresa al riguardo)    

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Nella tabella vedete evidenziate con numeri le righe gialle: la Terra si muove in quattro direzioni, e con velocità spaventosamente differenti, cioè

0 e 1) su se stessa - movimento di rotazione
2) intorno al Sole - movimento di rivoluzione
3) col SS intorno alla Via Lattea
4) con la Via Lattea insieme all'Ammasso Locale

E' stato quindi calcolato che ciascuno di noi è sottoposto alla somma vettoriale delle velocità, dipendente cioè da queste 4 forze, di 250 km/secondo.

Qualche dato interessante:
- nel suo viaggio di rivoluzione intorno al Sole la Terra descrive un'ellisse, il cui diametro è 300 milioni di km, equivalenti a 2 UA
- questo percorso che la Terra compie in un anno terrestre, cioè 365 giorni, equivale a quasi 1 miliardo di km, cioè circa 1 ora/Luce
- il Sistema Solare compie un'orbita attorno al centro galattico, cioè una distanza di 190.000 AL impiegando 225 milioni di anni terrestri



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A proposito di velocità, 
come mai non percepiamo il movimento?


Spesso abbiamo sentito dire che tutti i corpi celesti, compresa la Terra, il Sole e le stesse galassie, viaggiano nello spazio a velocità impressionanti, centinaia di km/secondo, mentre la nostra percezione è che tutto in realtà sia fermo.





Distinguiamo subito una cosa:

come avete potuto spero apprezzare nei miei post sull'Unità Astronomica e l'Anno Luce, le distanze già all'interno del nostro Sistema Solare sono per noi difficili da concepire, è veramente troppo.

Anche la sola UA, che ci separa dal Sole, è una distanza talmente grande e gigante per noi da far risultare il Sole, che ha un diametro di ben 1.300.000 km (100 volte quello della Terra!!), piccolo in cielo praticamente come la Luna.




Va da se quindi che essendoci in gioco tali distanze inconcepibili noi non potremmo mai, neanche volendo, vedere la velocità di questi corpi celesti. Quando infatti la distanza diventa cosmica, misurabile in decine, centinaia, migliaia, milioni e miliardi di anni luce e parsec, praticamente alla nostra limitata vista il Cosmo appare IMMOBILE e anche attraverso i telescopi non si percepisce la velocità, se non tramite misurazioni particolari che sfruttano la luminosità, la chimica e altri fenomeni oppure tramite sofisticati calcoli matematici (inoltre, come già spiegato in altri post, il legame tra Spazio e Tempo è strettissimo, vedi etichetta "guardare nel passato").


Basti pensare che alcuni fenomeni cosmici eccezionali impiegano per noi migliaia di anni prima di poter essere apprezzati, quindi sono assolutamente fuori dalla nostra portata a meno che non capiti proprio nel nostro brevissimo e limitatissimo intervallo temporale: nell'esempio qui a sinistra, una Supernova - si vede nitidamente il punto in basso a sinistra rispetto alla galassia NGC 4526 - cioè una stella che, in fin di vita, esplode liberando un'energia inimmaginabile, equivalente all’energia emessa da una galassia popolata da miliardi di stelle normali, oppure per dirla in altro modo anche una luminosità di circa 100 miliardi di volte quella del Sole - sono cifre impossibili da immaginare, ma intanto gli esempi aiutano.
Non fatevi comunque ingannare dalla foto, dove la galassia sembra piccola; in realtà noi non possiamo avere idea dello spazio che essa occupa perché neanche nelle nostre più sfrenate fantasie riusciremmo ad immaginarlo; la supernova sulla sinistra è visibile solo perché, come detto, è esplosa la stella producendo energia per miliardi di stelle, è un evento cosmico per noi sconvolgente. Così come, riflettete bene, noi non saremmo mai in grado di vedere una galassia nella sua totalità perché la sua dimensione, per quanto piccola, è infinitamente al di là della nostra portata. E' solo perché quella nella foto è lontana centinaia o migliaia o milioni di anni luce che possiamo vederla così.
Il trucco del Cosmo sta tutto qui.


Con la Luna è diverso, è "vicinissima" a noi (sono sempre 384.000 km - date un'occhiata nel post sulla Unità Astronomica la reale distanza della Luna rispetto a quanto da noi erroneamente percepito - ma in confronto alle altre distanze questi sono veramente briciole infinitesimali), per cui basta un medio telescopio per poterne apprezzare il movimento, che chiaramente è un misto del nostro e del suo.



Chiarito questo, concentriamoci su ciò che è a noi più familiare:
la nostra meravigliosa TERRA.
Perchè noi che ci viviamo sopra non riusciamo a percepire il suo movimento di rotazione?


La ragione è da ricercarsi in una legge della fisica, detta
principio d'inerzia:
"un corpo non sottoposto a forze permane nel proprio stato di quiete o di MOTO RETTILINEO UNIFORME finché non interviene una forza esterna ad interromperlo".
Di fatto Galileo istituì nei suoi scritti il principio di relatività classico secondo cui tutti i sistemi di riferimento in moto rettilineo uniforme sono equivalenti.

La Terra, l'atmosfera e tutte le cose poste in superficie sono animate dallo stesso moto rettilineo uniforme.

Dovete immaginare tutti noi e tutto ciò che c'è nella nostra atmosfera come un immenso "OCEANO" (descritto meglio nel post atmosfera 1/4, sezione pressione atmosferica), esattamente come tutte le creature acquatiche che vivono nell'oceano vero: noi siamo invece immersi in un oceano d'aria e quindi siamo un tutt'uno con esso.






Prendendo a termine di paragone un qualunque oggetto fisso terrestre, essendo animato dello stesso moto della Terra, si muove come noi (se stiamo fermi), alla medesima velocità, nella medesima direzione. Giriamo insieme ad essa, nello stesso sistema di riferimento (quasi inerziale); non ce ne possiamo accorgere (fisicamente).

In quanto corpi fisici, tutte le cose sono quindi sensibili alle accelerazioni, ma del tutto indifferenti alle velocità. Come dire che finchè andiamo a velocità costante, non ci accorgiamo di quanto siamo veloci.


ESEMPI:

Ci accorgiamo quando parte o si ferma un ascensore (accelerazione o decelerazione), ma senza guardare fuori del finestrino non potremo dare neanche l'ordine di grandezza della velocità di un'auto sulla strada o dell'aereo nel quale voliamo.





E' come viaggiare in treno, a 140 Km/h a velocità costante; se non si guarda fuori, non ci si accorge di essere in movimento (rettilineo uniforme; trascurando ovviamente il rumorio noto e le vibrazioni dovute alle rotaie). Si potrebbe anche essere fermi e non saperlo.




Questo succede per la stessa ragione per cui, quando siamo in macchina o in aereo o in nave non ne percepiamo il movimento (salvo sterzate, accelerate, frenate, cioè alterazioni del moto), perché facciamo parte del sistema in movimento.
A differenza di aerei e treni o ascensori, all'interno dei quali (se in moto rettilineo uniforme) è rigorosamente impossibile percepirne o stabilirne il moto senza far riferimento all'esterno, per la Terra in rotazione è invece possibile, lo si può fare ad esempio con il famoso Pendolo di Foucault.


In realtà, anche se noi non percepiamo in alcun modo né i 1.700 km/h né gli altri, vi sono strumenti capaci di percepire gli scostamenti tra il moto rettilineo e quello effettivo della Terra. Si tratta dei GRAVIMETRI, ovvero dispositivi capaci di misurare l'accelerazione di gravità con estrema precisione (considerate che nel valore convenzionale dato alla gravità si tiene conto anche dei 2 effetti di "schiacciamento terrestre" (dovuto alla forza centrifuga che avvicina i poli al centro di massa della Terra) e il "contributo differenziale dell'accelerazione" all'equatore rispetto ai poli - all'equatore la Terra gira più velocemente che ai poli).

Dalle ultime recenti scoperte ormai sappiamo che il nostro pianeta in realtà non si muove lentamente, perché, come potete vedere nella Tabella iniziale

- 100.000 km/h in rivoluzione intorno al Sole e 
- 1.670 km/h in rotazione su se stesso

sono davvero velocità incredibili se pensiamo che non ce ne accorgiamo.
Tutto è relativo, quindi il punto è che è un pianeta enorme rispetto a noi e basandosi sul principio di inerzia detto, non si può percepire fisicamente senza fare degli esperimenti per dimostrarlo.
Percepire fisicamente non si può, ma dei modi indiretti per verificarlo ci sono.


La Terra impiega 24 ore per fare un giro su se stessa. Anche il più lungo lancio di un sasso dura troppo poco perchè, durante il volo, la Terra giri in maniera apprezzabile facendolo curvare (il movimento del sasso è trascurabile rispetto alla rotazione), però:

- in BALISTICA BELLICA (lancio di missili in guerra) ad esempio, dato che i proiettili percorrono tragitti lunghissimi e restano in volo per relativamente parecchio tempo, la rotazione terrestre deve essere considerata per correggere i tiri che altrimenti cadono fuori bersaglio.

- le PERTURBAZIONI METEOROLOGICHE assumono notoriamente l'aspetto spiraliforme (cicloni e anticicloni) proprio a causa del fatto che, mentre le masse d'aria si dirigono verso una bassa pressione, la Terra gli gira sotto, ed esse vengono indotte a ruotare. Anche in questo caso l'effetto è evidente perché la durata dei movimenti non è trascurabile rispetto alla rotazione terrestre.
La forza responsabile di questi effetti è la famosa forza di Coriolis, che si esercita su oggetti in moto in un sistema di riferimento in rotazione.

- FOTOGRAFANDO LE STELLE

con una posa di qualche minuto si può facilmente verificare che esse si muovono descrivendo dei cerchi concentrici (vedi post Aurore).
Quello peró é un movimento apparente.




Se invece proviamo a seguire con la fotocamera le stelle, impostando sulla stessa la velocità con cui esse ruotano nella nostra volta celeste, e in più inquadrando in primo piano un paesaggio, allora vedremo le stelle ferme, e gli alberi che si muovono, indicando appunto la rotazione della Terra (Alex Rivest, neuroscienziato e fotografo americano, ha creato un filmato che mostra l'effetto in modo stupefacente, girando immagini in time-lapse della volta celeste in suggestive località come il Parco naturale di Anza-Borrego e il Joshua Tree National Park, in California, ma anche nel Maine, nel New Hampshire, in Massachusetts, Tibet, Hawaii, Isole Tonga e Parco nazionale dello Yellowstone).





Per concludere il post inserisco questa finestra che mi auguro apprezzerete:
la Diretta video dalla Stazione Spaziale Internazionale - ISS, grazie al servizio offerto dalla NASA, sempre operativo. La Base vola ad una quota di più di 400 km (non perdetevi il post unico nel suo genere Viaggio nell'atmosfera 4/4).

AVVERTENZA: vi avviso subito, SE la finestra è buia non preoccupatevi, il link funziona ma la ISS sta volando nella zona della Terra in ombra, cioé di notte, quindi è normale non si veda niente.

Broadcast live streaming video on Ustream

Grazie alla tabella iniziale sapete ora anche a che velocità della Base Spaziale corrisponde il panorama che state guardando scorrere sotto i vostri occhi: la stazione orbitante viaggia alla fantastica velocità costante di 28.000 km/h.

Considerando le comparazioni di velocità che ho riassunto nel post la Via Lattea: la nostra strada stellare, è una velocità pazzesca, tuttavia il paesaggio sottostante "sembra" così lento rispetto a quanto dovrebbe essere.
L'effetto speciale è dovuto:
- alla grande distanza dalla Terra
- alla relativa grandezza del nostro pianeta (sorvolare la Luna risulta percettivamente molto più "veloce")
Contribuisce all'effetto l'assenza di densità di atmosfera che caratterizza invece il nostro strato, la Troposfera, quindi attrito praticamente nullo.

Grazie all'attrito dovuto alla resistenza dell'aria nel nostro strato atmosferico (vedi post atmosfera 2/4), per noi è molto più facile avere una prova tangibile della velocità: quanto più veloci siamo, tanto più grande è la resistenza dell'aria e l'attrito che ci frena.

Nello spazio, nel "vuoto", dove la rarefazione degli elementi è estrema (vedi etichetta "aria rarefatta" ), non si ha invece alcuna percezione fisica della velocità, mancando questo tratto caratteristico della resistenza: solo visivamente lo si capisce. Possiamo viaggiare a 300, a 10.000 o 100.000 km/h ma per noi la percezione è di essere fermi, finché non abbiamo un riferimento visivo ravvicinato o un contatto fisico con qualche altro corpo celeste (come gli impatti con micro-meteoriti, problema che gli astronauti conoscono fin troppo bene, potendo un oggetto anche di pochi cm creare seri danni alla Base Spaziale, ai satelliti, al telescopio spaziale Hubble, ai veicoli spaziali in genere).

Arrivederci al prossimo post.



Spero che questi post brevi possano aiutarvi ad accedere con più facilità a molti contenuti astronomici complessi. Arrivederci al prossimo post.


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