Come funziona una fionda gravitazionale3 min di lettura

Ve lo ricordate il film Armageddon, con Bruce Willis?

Un asteroide sta per colpire la Terra e le migliori menti del nostro pianeta decidono di optare per la soluzione di piazzare una testata nucleare nell’asteroide e fare boom! Ovviamente per una missione del genere si poteva chiamare solo Bruce Willis, che infatti alla fine fa tutto da solo (più o meno).

Comunque, alla fine la Terra si salva, ma non solo grazie a Bruce Willis e alle testate nucleari: anche grazie all’effetto fionda gravitazionale (slingshot effect) che permette allo Shuttle della NASA di guadagnare velocità (leggi: accelerare/frenare) e andare diritto (si fa per dire) verso l’asteroide.
Va bene, ora la smetto con il momento amarcord/cinefilo e provo a spiegare che cos’è questo effetto fionda.
Ma prima, per cominciare bene, una bella immagine:

Quella che vedete qui sopra è la traiettoria fatta dalla sonda Cassini, la quale ha raggiunto Saturno nel 2004. Ben dopo 7 anni dal lancio.
Come vedete quando un satellite/navicella/razzo viene lanciato non è che si muova propriamente di moto rettilineo nel Sistema solare. Nel caso di Cassini, la sonda ha fatto prima qualche giretto nell’interno del sistema solare e poi si è lanciata verso l’esterno.
Non che fosse alla ricerca di un mercatino di Natale ma piuttosto le passeggiate nei pressi di Venere sono giustificate proprio per guadagnare velocità grazie all’effetto fionda.
Ecco, con questo volevo dirvi che si tratta non solo di qualcosa che avete visto al cinema ma, anche e soprattutto, di qualcosa di realmente utile e importante. Importantissimo.
E ora che finalmente sappiamo di che si tratta che ne dite se proviamo a scavare leggermente in profondità e vedere come funziona?

Iniziamo con le domande: per esempio, ma come fa una sonda a guadagnare velocità da un pianeta? La risposta è: proprio come una pallina farebbe grazie ad un treno!
No, non sono diventato matto. Immaginate, per assurdo, di tirare una pallina verso un treno con una certa inclinazione. La pallina colpirà il treno e tornerà indietro in maniera speculare con la stessa velocità con cui l’avete lanciata.
Ora immaginate che il treno si stia muovendo verso di voi con una certa velocità.
Di nuovo, lanciate la pallina con la stessa velocità di prima. Stavolta però, dopo l’urto con il treno la pallina acquisterà una velocità maggiore proprio perché il treno si muove nella direzione del rimbalzo. Preciso una cosa: quando la pallina impatta sul treno, in principio il treno dovrebbe rallentare. Ma data la differenza in stazza tra pallina e treno, proprio come nel caso della coppia pianeta-sonda, questa perdita di energia non è in alcun modo apprezzabile.

Fonte: http://www.schoolphysics.co.uk

Se vogliamo vedere l’esempio precedente applicato al Sistema solare allora il treno è un pianeta, la pallina è una sonda e voi siete il Sole che osservate. Questo vuol dire che ci mettiamo in un sistema di riferimento solidale con il Sole.

In questa situazione, pianeta e sonda si muovono con una certa velocità (il pianeta avrà il suo moto intorno al Sole).

Nell’esempio del treno il guadagno di velocità è dato dall’urto della pallina con il treno. Nel caso di pianeta e sonda il meccanismo è lo stesso: abbiamo un urto gravitazionale.

In pratica la sonda, che in origine scorrazzava in maniera rettilinea nello spazio, viene attratta dal pianeta e curva la sua traiettoria. Questo permette alla sonda di avere un incontro ravvicinato con il pianeta; ma dato che la sonda stessa ha una certa velocità allora essa non cade sul pianeta. Anzi, la sonda, come la pallina, rimbalza gravitazionalmente sul pianeta e acquista velocità.

Guardiamo insieme la figura qui sotto.

 

 

slinghshot.001.jpeg

Gli ingredienti in gioco sono due: la gravità del pianeta e il suo moto intorno al Sole. Quando una sonda arriva nei pressi del pianeta risente del campo gravitazionale del pianeta stesso che contemporaneamente si muove nel campo gravitazionale del Sole. A quel punto la sonda cambia la sua velocità, intesa anche come direzione. Se la velocità cambia, allora la sonda accelera: ecco l’effetto fionda, accade la stessa cosa che abbiamo visto nell’esempio del treno e della pallina.

Anche in questo caso pianeta-sonda, proprio come per il caso treno-pallina, il pianeta dovrebbe risentire un pizzico l’effetto di questo scambio con la sonda. Tuttavia, il pianeta è molto, ma molto più grosso e massivo di una sonda e quindi tale effetto è trascurabile.

Questo è, in estrema sintesi, l’effetto fionda gravitazionale.

Consiglio spassionato: per digerire ciò che avete appena letto, nel frattempo, tutti a rivedere Armageddon!

P.S. Il discorso che vi ho fatto si può fare anche considerando il punto di vista del pianeta, cioè un sistema di riferimento in cui il pianeta è fermo. Per vedere una rappresentazione grafica delle differenze nei due sistemi di riferimento, consiglio questo post sul blog di The Planetary Society.

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