Le orbite spiegate
Perché i satelliti non cadono, quanto vanno veloci e come i razzi cambiano orbita, in parole semplici.
Che cos’è un’orbita?
- Bambini
Immagina di lanciare una palla da una montagna altissima. Più la lanci veloce, più cade lontano. Se la lanci abbastanza veloce, il terreno si curva sotto di lei alla stessa velocità con cui cade, e continua a cadere intorno alla Terra per sempre. Questa è un’orbita. Isaac Newton disegnò questa idea della «palla di cannone» più di 300 anni fa.
Verifica: La stazione spaziale galleggia o cade?
Cade! Sempre, ma si muove di lato così veloce che continua a mancare la Terra.
Quanto è veloce?
- Bambini
All’altezza della Stazione spaziale internazionale (circa 400 km) servono circa 7,7 km al secondo. Abbastanza per fare il giro della Terra in circa 93 minuti: gli astronauti vedono circa 16 albe al giorno.
Verifica: Quanti minuti circa impiega la stazione per un giro della Terra?
Circa 93 minuti, più o meno un’ora e mezza.
Più in alto, più lento
- Ragazzi
La gravità si indebolisce con la distanza, quindi un’orbita più alta richiede meno velocità: v = √(μ/r). I satelliti meteo e TV in orbita geostazionaria, a 35 786 km, vanno a soli 3,07 km/s e impiegano esattamente un giorno siderale (23,93 h) per un giro: sembrano fermi sopra un punto.
Verifica: Se r quadruplica, cosa succede alla velocità circolare?
Si dimezza, perché v dipende da 1/√r.
Accelerare per salire
- Ragazzi
Per salire a un’orbita più alta, il veicolo accende il motore in avanti. Il suo cerchio si allunga in un’ellisse il cui punto più lontano tocca la nuova quota. Mezza orbita dopo riaccende per rendere tonda la nuova orbita. Questo trucco a due accensioni è il trasferimento di Hohmann. Da un’orbita di 300 km alla geostazionaria servono circa 3,9 km/s di variazione di velocità e circa 5,3 ore.
Verifica: Dopo la prima accensione, il veicolo è più veloce o più lento in cima all’ellisse?
Più lento: scambia velocità con quota salendo, poi serve la seconda accensione.
Tipi di orbite
- Corso post-diploma
L’orbita bassa (LEO, circa 160–2000 km) ospita la stazione spaziale e la maggior parte dei satelliti di osservazione. L’orbita media (circa 20 000 km) ospita satelliti di navigazione come il GPS. L’orbita geostazionaria è sopra l’equatore a 35 786 km. Le orbite eliosincrone sono inclinate poco oltre i poli (circa 98,2° a 700 km): il rigonfiamento terrestre ruota l’orbita una volta l’anno e il satellite passa su ogni luogo alla stessa ora locale, ideale per confrontare immagini.
Verifica: Perché i satelliti di immagini preferiscono le orbite eliosincrone?
L’illuminazione è la stessa a ogni passaggio, così i cambiamenti al suolo (incendi, alluvioni, foreste) si confrontano facilmente.
Energia: l’equazione da ricordare
- Corso post-diploma
Vis-viva, v² = μ(2/r − 1/a), dà la velocità in ogni punto di ogni orbita dalla distanza r e dalla dimensione a. Con a = r dà la velocità circolare; con a → ∞ quella di fuga, √2 volte maggiore (11,2 km/s dalla superficie, senza aria).
Verifica: Secondo vis-viva, dove è più veloce un veicolo su un’ellisse?
Nel punto più vicino (periasse), dove r è minimo.
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