Newsgroup: it.scienza.astronomia
Titolo: Astronauti ed assenza di peso

Salve
Tempo fa, in una trasmissione televisiva a quiz, ho visto porre (più o
meno) questa domanda: "Per quale motivo gli astronauti (e tutti gli
oggetti) in una navicella spaziale in orbita attorno alla Terra perdono
il proprio peso e "librano" nell'aria"?
Venivano date tre risposte di cui una era quella esatta:
1) Perché gli oggetti si trovano in uno stato di continua caduta
2) Perché la forza di gravità si annulla
3) (qui c'era una risposta che non ricordo, ma che era completamente
fuori di testa e quindi da scartarsi subito)
Io ho scelto immediatamente la risposta numero 2 (OK, è vero che la
forza di gravità non si annulla mai completamente, ma è anche vero che i
corpi non perdono totalmente il proprio peso)... ma con mia grande
sorpresa la risposta esatta era la numero 1, e cioè perché i corpi si
trovano in uno stato di continua caduta.
Tutto questo mi ha dato un bel po' da pensare, perché se sono in uno
stato di caduta, allora devono anche avere un peso! Però d'altra parte è
anche vero che, in una navicella spaziale in orbita a 500 o 600 km di
altezza, la forza di gravità non è poi molto minore di quanto non sia
sulla superficie terrestre, eppure anche lì mi sembra che gli astronauti
siano senza peso e librino nello spazio della cabina.
C'è qualcuno che sa spiegare la faccenda?
Grazie
Karamel

karamel ha scritto:
(cut)
In realtà gli Shuttle non stanno in assenza di gravità. Se non sbaglio gravitano
a circa 25km dalla superficie terrestre. la forza peso viene "annullata" perchè
bilanciata dalla f. centrifuga dovuta alla rapida rotazione della navicella
attorno
alla terra. 
Ciao, F.
-- 
Silenzio e oscurità lo circondavano. Ma il dolce, banale ritmo in tre 
tempi della vita, smorzato e cullante, saliva dal basso fino a lui.

C'è qualcuno che sa spiegare la faccenda?
Il fatto che la navicella ruoti intorno alla Terra e' indice del fatto
che la Terra la attrae a se', quindi non puo' non esserci gravita'.
Il fatto e' che, da una parte, la velocita' di movimento tangenziale
della navicella e' abbastanza grande perche' la sua distanza dal
centro della terra risulti sempre invariata (il che in realta' per gli
shuttle non e' vero, non sono in orbita geostazionaria... la cosa e'
un po' piu' complicata ma simile); dall'altra, dato che tutti gli
oggetti contenuti nella navicella accelerano sempre verso il centro
della terra  e tutti allo stesso modo, essi sono fermi gli uni
rispetto agli altri. Se provi a buttarti da un palazzo e mollare un
sasso mentre cadi, vedrai che stara' rispetto a te come in assenza di
gravita'. Prova :)))
Ciao,
anders

a circa 25km dalla superficie terrestre.
Sfiorano i Concorde?

 Karamel
Ciao
-- 
Lorenzo Trumino - hamlet_AT_inwind.it
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 Sfiorano i Concorde?
Ah, non lo so :-) Se ci fornisci i dati esatti ti ringrazio.
Ciao, F.
-- 
Silenzio e oscuritą lo circondavano. Ma il dolce, banale ritmo in tre 


Ah, non lo so :-) Se ci fornisci i dati esatti ti ringrazio.
Dati esatti non ne ho, ma da quel che mi ricordo del tormentone estivo
sui Concorde, volano ad un'altezza di circa 19-20 Km, o qualcosa di
piu'. Se tieni conto del fatto che l'atmosfera terrestre si rarefa in
modo "sfumato" rispetto all'altezza (non so bene con quale funzione,
certo molto meno che lineare) e che a 20 Km volano i Concorde, dubito
che a 25 si possano fare le passeggiate spaziali o stare in orbita.
Ciao,
Anders


Risposta perfetta, è proprio così. Vorrei solamente aggiungere che la
condizione di uguaglianza tra forza di gravità e centrifuga, anche nel
caso più semplice di orbita circolare e assenza di perturbazioni,
avviene solo in un punto della navicella che si chiama centro
dell'orbita. In tutti gli altri punti c'è una gravità residua che può
essere controllata ma non eliminata per cui si può parlare di
microgravità. La ISS è nata proprio con l'obiettivo di ottenere il
miglior livello possibile di microgravità.
Ciao
Antonio

un po' piu' complicata ma simile); 
AAAARGH! Attenzione, non fare confusione. La circolarità dell'orbita
non c'entra niente con la geostazionarietà. Per meglio dire: tutte le
orbite geostazionarie sono circolari, ma non tutte le orbite circolari
sono geostazionarie. La circolarità o meno di un'orbita dipende solo
dalla combinazione del raggio o del semiasse e della velocità o
energia cinetica. Orbite circolari possono esistere a tutte le quote.
L'orbita geostazionaria è una particolare orbita con periodo pari
proprio a 24 ore (il periodo di rotazione terrestre) che per godere
della caratteristica che un satellite in una tale orbita rimanga fisso
sopra una determinata località geografica (è questo che rimane fisso,
il punto subsatellite), per ragioni di meccanica, deve essere
equatoriale (tutti i satelliti geostazionari hanno come punto
subsatellite un punto dell'equatore) e circolare. Orbite di periodo 24
ore ma che non sono equatoriali o non sono circolari (o non sono
entrambe le cose) si chiamano geosincrone.
Ciao
Antonio

piu'. Se tieni conto del fatto che l'atmosfera terrestre si rarefa in
Diciamo che gli Shuttle normalmente orbitano oltre le 250 miglia di
altezza.
Vi prego di verificare almeno l'ordine di grandezza di prima di
postare dati fuorvianti ^_^ thx

Vorrei solo aggiungere che l'orbita dello Shuttle si trova al minimo, in
genere, a 250 km di altitudine rispetto alla superficie terrestre e al
massimo a 500 km (in termini di distanza dal centro della Terra, tra 6570 e
6870 km). Questo intervallo č quello delle orbite LEO (low earth orbit),
riservato in buona parte alle missioni umane e a nuovi satelliti per
telecomunicazioni (data la vicinanza necessitano di potenze di trasmissione
piů basse).
Conferno anche che il motivo per cui gli astronauti si trovano in una
situazione di assenza di peso č il bilanciamento tra forza centrifuga e
forza gravitazionale.
E' sbagliato perň pensare che la resistenza atmosferica sia trascurabile,
infatti se lo Shuttle fosse lasciato in orbita per troppo tempo tenderebbe a
cadere verso la Terra.
Luca Derosa
space...@libero.it

energia cinetica. Orbite circolari possono esistere a tutte le quote.
Hai ragione, ti ringrazio. Me n'ero accorto io stesso pensandoci poco
dopo aver postato il mio messaggio... che comunque ho giudicato di
cosi' poco valore da non meritare neppure di essere corretto!
Ciao,
Anders

 Antonio
Ciao!


Anders
Dipaniamo un po' di nebbia.
La quota di crociera del Concorde varia tra i 12 e 18 km.
La quota operativa dello Shuttle dipende dalla missione da compiere e
può variare, sempre rimanendo in orbita bassa, tra i 185 e 1100 km.
Per quanto riguarda il profilo di densità atmosferica esistono diversi
modelli. Quelli classici sono due: l'atmosfera standard e l'atmosfera
isoterma. Il primo è un modello empirico basato su misurazioni e più
che una relazione analitica è una tabella. Questa tabella può essere
rappresentata dalla relazione: 
rho = A exp(BH+CH^2)
dove:
rho è la densità atmosferica in kg/m^3
H è la quota in km
A, B, C sono coefficienti tabellati presi a fasce di 10 km in 10 km da
100 km a 300 km. Tra queste due quote l'andamento complessivo è simile
ad un esponenziale decrescente e passa da 10^-6 a 10^-11 kg/m^3 come
ordini di grandezza.
Il modello di atmosfera isoterma è invece adottato per la sua
semplicità ed è certamente valido fino a quote di 120 km circa,
basandosi, oltre che sulla legge di Stevino, sull'ipotesi di
temperatura costante pari al valore medio della temperatura della
superficie terrestre, e cioè 15°C. La sua espressione analitica è:
rho = rho0 exp(-bz)
dove rho0 è la densità a livello del mare (=1,26 kg/m^3)
z è la quota in metri
b (=beta) è il fattore di scala dell'atmosfera pari circa a 1/8500
Ciao
Antonio



E dai! non buttarti giù. Qui non si sta a giudicare, ma solo a
discutere e possibilmente ad imparare. 
Ciao
Antonio

 gravita'. Prova :)))
Certo. Ma il fatto che la nostra velocità relativa sia zero non è la stessa
cosa come dire che siamo "senza peso" o "in assenza di gravità". Analizzando
bene come è stato posto il problema, il centro di tutta la questione penso
proprio che sia cosa si intende per "senza peso".
Ammettiamo di avere una bilancia (di quelle a due piatti, non di quelle da
salirci sopra), con in un piatto il sasso e nell'altro un peso, e mettiamo
che l'indice segni 100 grammi. Mentre cadiamo, la bilancia segna zero o
ancora 100 grammi?
Karamel


E' evidente che segni zero. La bilancia misura l'accelerazione
relativa (sì, lo so che misura pesi, però il peso è dato dal prodotto
di massa per accelerazione; poiché la massa nell'esperimento resta
costante, il nostro ragionamento si basa sull'accelerazione, per cui
possiamo pensare di avere una bilancia che misuri accelerazioni e non
pesi, o se si preferisce pesi per unità di massa), cioè misura la
differenza tra accelerazione di trascinamento (che è zero perché il
sistema è fermo nello spazio inerziale) e accelerazione assoluta (che
è g perché il corpo è libero di cadere). Questa differenza vale g e
tanto misura la bilancia. Se la bilancia cade anch'essa,
l'accelerazione di trascinamento vale anch'essa g per cui ora la
differenza tra acc. di trascinamento e acc. assoluta vale zero, e zero
segna la bilancia. Quindi il peso c'è ma non si vede! Cioè non può
essere misurato dato che anche il sistema di misura cade con la stessa
accelerazione. Nello spazio è la stessa cosa. Poiché il sistema
bilancia - corpo è in continua caduta, la bilancia dà zero come
misura. E' evidente quindi che il termine assenza di gravità o gravità
zero è scorretto, più corretto invece la frase assenza di peso.
Ciao
Antonio

 E' evidente che segni zero. 
Non facciamo confusione! Se abbiamo una bilancia *a piatti*, un oggetto di 100g
esatti in un piatto e il peso da 100g nell'altro, l'ago rimarrà fisso sullo "zero"
dell'indice, qualsiasi sia la variazione di accelerazione della bilancia, perchè
tale bilancia misura *le differenze di peso tra un piatto e l'altro*.
Ciao, F.
-- 
Silenzio e oscurità lo circondavano. Ma il dolce, banale ritmo in tre 


 allegramente nei locali della navetta.
No, scusami ma  questa "spiegazione" ed in particolare il disegno
rischiano di essere scorretti.
Purtroppo e' una facile trappola  spiegare il moto orbitale mescolando
concetti che fanno riferimento a sistemi di riferimento diversi.
Se vuoi introdurre una forza centrifuga uguale in modulo all' attrazione
gravitazionale stai descrivedo il moto nel  sistema NON-inerziale
solidale (co-rotante) con lo shuttle. In questo riferimento, in aggiunta
alla forza di gravita' c'e' una forza "apparente" dovuta alla scelta
"infelice" del sistema non inerziale. Pero' la velocita' e' nulla.
Se invece si descrive la stessa situazione nel sistema *inerziale* in
cui lo shuttle sta ruotando attorno alla terra, con velocita'
tangenziale opportuna, l' unica forza agente e' la forza di gravita'. E
la descrizione dello shuttle (e tutto cio' che contiene) come oggetti in
caduta libera e' corretta e rigorosa al 100%.
So bene che ci sono tutta na serie di "preconcetti" che rendono
stravagante questo punto di vista. Pero' e' esattamente il modo con cui
Newton ha insegnato a descrivere la dinamica.
Giorgio Pastore

Ciao, F.
Aspetta, è ovvio che in una bilancia a piatti, se i piatti sono
equilibrati l'indice segna zero. Ma penso di aver interpretato lo
spirito della domanda di karamel, il quale intendeva dire che, una
volta equilibrati i piatti si è ipso facto effettuata la pesatura, il
cui risultato è 100 grammi, indipendentemente da dove nella realtà si
trovi l'indice. Forse ho fatto male a non sottolineare prima la cosa,
ma mi è sembrato evidente che l'amico karamel volesse dire ciò. Se
vuoi possiamo sostituire la bilancia a piatti con un dinamometro e il
ragionamento sarebbe valido lo stesso.
Ciao
Antonio
P.S.: se karamel è in ascolto è pregato di confermare o smentire
quanto da me detto a sua "difesa".

 quanto da me detto a sua "difesa".
in effetti era un po' ambigua la domanda di karamel:
*Ammettiamo di avere una bilancia (di quelle a due piatti, non di quelle da
salirci sopra), con in un piatto il sasso e nell'altro un peso, e mettiamo
che l'indice segni 100 grammi. Mentre cadiamo, la bilancia segna zero o
ancora 100 grammi?*
E' uno di quei casi interessanti in cui la domanda su un dato problema *é*
il problema stesso...e poi dicono che l'analisi logica non serve :-))


 
Hai fatto benissimo a precisarlo! Grazie!


 b (=beta) è il fattore di scala dell'atmosfera pari circa a 1/8500
Nel sistema internazionale la densità dell'aria al livello del mare è 1,226
kg/m^3.
Ciao a tutti
Luca Derosa
space...@libero.it

 trovano in uno stato di continua caduta.
Anche la luna e la terra sono in caduta libera...
E' un bel modo di vedere la faccenda (quasi poetico).
Salve
piotr


Ciao
Antonio


L'impreciso qui sono stato io, il valore che ho riportato è quello standard
utilizzato in qualsiasi calcolo ingegneristico internazionale (almeno
occidentale), e nel caso specifico anche per le missioni spaziali (messa in
orbita di satelliti, ecc.), quindi confermo che il valore da utilizzare è
questo.
ciao
Luca Derosa

 molecole presenti a quelle quote l'energia che esse possiedono.
Scusa la pignoleria, ma cosa vuoi dire esattamente con "i valori
della temperatura non vanno intesi in termini reali"? Se
l'atmosfera a quelle quote e' (localmente) in almeno
approssimativo equilibrio avra' una sua temperatura che e'
altrettanto "reale" della temperatura dell'aria al livello del
mare. Quello che vuoi dire forse e' che 1) la misura di T si fa
con metodi diversi che al l.d.m. (come hai gia' detto), e che 2)
l'effetto sui materiali e' diverso da quello che si ha al l.d.m.
(per esempio Fe e Al non fondono, gli astronauti non cuociono)
per via delle condizioni particolari (ridotta densita' ecc.) a
quelle quote.
-- 
To reply, replace "smartassi" with "smargiassi" in my e-mail
address
Enrico Smargiassi
http://www-dft.ts.infn.it/~esmargia

 quelle quote.
Perché secondo te gli astronauti non cuociono? Solo per le condizioni
ambiente, o c'è qualche altro motivo tecnologico?
Ciao a tutti
Luca Derosa
spac...@libero.it

 ambiente, o c'č qualche altro motivo tecnologico?
Certamente hanno protezioni, ma non credo che durerebbero a lungo
se poste al livello del mare ad una temperatura di 2000 gradi.


 se poste al livello del mare ad una temperatura di 2000 gradi.
La temperature che lo Shuttle raggiunge al rientro in atmosfera è proprio di
circa 2000°C (è letteralmente avvolto dalle fiamme) intorno ai 30000 m,
quindi sicuramente ciò che permette agli astronauti di resistere sono i
condizionamenti interni e i tempi non troppo lunghi, ciò che invece protegge
lo Shuttle sono in alcuni punti le mattonelle ceramiche (resistenti a T
molto alte), in altri punti materiali ablativi (che disperdono molto calore
bruciandosi), come la punta costituita da un blocco di grafite.
C'è da tener conto del fatto che davanti alla punta dello Shuttle si genera
un'onda d'urto curva che fa aumentare la pressione e la densità dell'aria a
contatto con la struttura, quindi le T sono ulteriormente motivate.

 condizionamenti interni e i tempi non troppo lunghi,
Appunto, si tratta di periodi brevi (e ad alta quota). Inoltre io
pensavo anche alle "passeggiate" extra-veicolari.




Eh, eh, l'amico Luca ha ragione. Ve li immaginate gli astronauti che
tornano in volo librato da una missione? Chissà perché quelli
dell'Apollo 13 si sono tanto preoccupati, bastava aprire lo sportello
e venire giù in tuta, così come si trovavano :-)))))
Bando agli scherzi, vorrei rispondere qui anche alla richiesta di
precisazione da parte di Enrico (ragazzi mi fate impazzire tra botte e
risposte fuori thread. Tra il thread originale inaugurato da karamel
il 30 novembre e quello generato dal vetusto Outlook di Luca Derosa -
ahi ahi - il 3 dicembre ci sono ben 74 post di distanza, almeno qui su
it.scienza.astronomia, non so su it.scienza). 
I concetti di temperatura e di calore sono meno banali di quanto possa
sembrare, in quanto spesso il senso comune non è legato
all'interpretazione fisica e viceversa. Diciamo che la nozione
originaria di temperatura è legata alla capacità di dare sensazioni di
caldo o di freddo, ed è in relazione con il livello di calore
contenuto nel corpo. Oggi si può dire che esistono due punti di vista
da cui trattare la temperatura: microscopico e macroscopico. La teoria
cinetica della materia ha precisato da un punto di vista microscopico
i concetti di calore e temperatura di un corpo, identificando il primo
con l'energia cinetica che le molecole possiedono in virtù del loro
moto, e la seconda come una grandezza legata alla velocità media delle
molecole. Dal punto di vista macroscopico invece la temperatura di un
corpo si presenta come una grandezza legata alle condizioni termiche
macroscopiche del corpo, indipendente da grandezze di natura
meccanica. Quindi negli strati alti dell'atmosfera, a causa della
rarefazione, viene meno il concetto macroscopico di temperatura, cessa
cioè di avere significato, ma resta quello microscopico di misura di
quantità di moto e di velocità media. Per questo motivo dire che a 400
km di quota la temperatura assume valori di 1500-2500°C non è più
legato al concetto di percezione di caldo e di freddo ma ad un
criterio esclusivamente cinetico, per cui cambia anche il modo di
misurare tale temperatura. Quello che sto tentando di dire è che lassù
un uomo non avrebbe né caldo né freddo ma non avrebbe il tempo di
accorgersene perché morirebbe all'istante, e questo ci appare strano
legati come siamo al concetto di temperatura macroscopica, che, per
questo motivo, può essere fuorviante. Spero di essere stato
sufficientemente chiaro.
Ciao
Antonio

 legato al concetto di percezione di caldo e di freddo [...]
Su questo sono d'accordo, era piu' o meno quello che cercavo di
dire. Ma non dipende dal fatto che la temperatura "lassu' e' un'
altra cosa", bensi' dalle condizioni ambientali (cinetica degli
scambi termici ecc.). Mi viene il sospetto pero' che tutta questa
discussione derivi da un fraintendimento...
