PROPOSTA DI VERIFICA SPERIMENTALE DEI LIMITI DELLA FISICA DI NEWTON: FAR RAGGIUNGERE VELOCITA' NOTEVOLI V AGLI OGGETTI CON MASSA M PICCOLA PER DIMOSTRARE L'ESISTENZA DELLA FORZA ROTAZIONALE INDOTTA.

PROPOSTA DI VERIFICA SPERIMENTALE DEI LIMITI DELLA FISICA DI NEWTON: FAR RAGGIUNGERE VELOCITA' NOTEVOLI V AGLI OGGETTI CON MASSA M PICCOLA PER DIMOSTRARE L'ESISTENZA DELLA FORZA ROTAZIONALE INDOTTA.

Dott. Giuseppe Cotellessa

A seguire in interessante video divulgativo che introduce il tema seppure nell’ambito consolidato dell’aerospaziale.

In base all'intuizione del Dott. Giuseppe Cotellessa, per la simmetria del sistema delle equazioni di Maxwell valide per il CAMPO elettro-magnetico, dovrebbe essere valida nel campo meccanico una forza equivalente alla Forza di Lorentz da denominare forza rotazionale indotta pari a:

 1) Fr=mvω

dove:

 m è la massa del corpo

v è la velocità tangenziale del corpo

ω è la velocità angolare del corpo.

Questa forza si dovrebbe manifestare a livello astronomico, dal momento che sia Il Sole, come i pianeti ed i loro satelliti ruotano intorno al proprio asse; la forza rotazionale indotta si manifesta dal momento che la loro massa è notevole.

Questa forza dovrebbe manifestarsi anche con i corpi con piccola massa a velocità v elevate.

Ma sulla Terra per l'esistenza della intensa forza di gravità, degli attriti e della resistenza del mezzo non è agevole far raggiungere velocità elevatissime, pari a frazione della velocità della luce c, ai corpi anche con piccole masse:

L'ambiente ideale per effettuare questo tipo di verifica è il vuoto dello spazio.

Infatti, sulla Terra, un veicolo per muoversi esercita una forza su un corpo esterno, sia esso il terreno solido, l'acqua del mare, o anche l'aria. Come le ruote di un'automobile esercitano una spinta contro la superficie stradale, così fanno i remi di una barca contro l'acqua e l'elica di un aeroplano contro l'aria.

Ma un veicolo nello spazio vuoto non ha nulla intorno a sè contro cui esercitare una spinta e per muoversi deve utilizzare un altro metodo: deve disfarsi di una parte della propria massa lanciandola alla massima velocità possibile in direzione opposta a quella verso cui intende muoversi.

E' quella che si chiama comunemente propulsione a reazione: il veicolo espelle massa ad alta velocità dietro di sè e per reazione si muove nella direzione opposta.

Un aereo a reazione funziona proprio in questo modo, solo che una gran parte della massa che emette ad alta velocità, l'aria, l'aereo la prende dall'ambiente esterno; ciò gli consente sì una grande autonomia, ma è anche la sua principale limitazione perchè, a meno di portarsi dietro una grande scorta di aria, nello spazio il motore di un aereo a reazione non funzionerebbe. Nello spazio infatti non c'è possibilità di approvvigionarsi di massa da emettere e tutta quella che serve per muoversi deve averla con sè. 

C'è da dire che se nello spazio non c'è aria da prendere e da utilizzare per muoversi, in compenso non c'è neppure attrito.

Un veicolo nello spazio, una volta raggiunta la velocità richiesta, la mantiene senza bisogno di ulteriori spinte; gliene serviranno se vorrà rallentare, accelerare o cambiare direzione.

E' ben noto infatti che i satelliti artificiali, una volta lanciati, continuano a ruotare intorno a noi senza bisogno di motori, e solo quelli più vicini alla Terra richiedono ogni tanto un pò di spinta per mantenersi in quota.

Ma oltre alle piccole spinte, i veicoli spaziali hanno spesso necessità di cambiare assetto o modificare la propria rotta, per eseguire i compiti per i quali sono stati costruiti.

Ecco dunque la necessità di motori in grado di sostenere le spinte necessarie, in grado cioè di emettere nella direzione voluta quantità ben determinate di massa alla massima velocità possibile.

E' questo il modo di funzionare dei razzi che lanciano dietro di sè ad altissima velocità i gas prodotti dalla reazione fra il comburente ed il combustibile che portano nei propi serbatoi, generalmente ossigeno e idrogeno liquidi.

A parità di massa emessa, più alta è la velocità di emissione, maggiore sarà l'impulso della spinta che risulta pari alla quantità di moto della massa emessa.

I razzi ad ossigeno ed idrogeno liquidi sono in genere utilizzati per i razzi vettore che devono superare la gravità terrestre per portare in orbita i satelliti: in questo modo essi producono spinte elevatissime consumando tutto il propellente in pochi minuti.

All'inizio la spinta di questi razzi vettori è appena sufficiente a sollevare il razzo che inizia a muoversi lentamente, poi, mano a mano  che consuma combustibile e la massa complessiva del razzo si riduce, la sua velocità aumenta rapidamente fino a consentirgli di portarsi in orbita. 

I veicoli spaziali, una volta in orbita, richiedono per muoversi un tipo di spinta assai diversa: in generale molto meno intensa però molto più duratura, ma il problema rimane lo stesso: bisogna avere a bordo una grande quantità di massa da lanciare e si devono impiegare tecniche capaci di emetterla nella direzione e nella misura giusta e alla massima velocità possibile: a parità si spinta più è alta la velocità di emissione e meno massa sarà necessario consumare.

Infatti la spinta è il risultato del prodotto massa emessa x velocità di emissione.

La velocità di emissione della massa è dunque il parametro principale da cui dipende l'efficienza del sistema di propulsione: sono stati sviluppati molti tipi di motori, sia di tipo classico come i motori chimici e quelli fluidodinamici, sia di nuova generazione come quelli elettrici.

Questi ultimi, più propriamente noti come motori ionici, si basano su un semplice principio: la massa da emettere, generalmente gas (ma può essere anche un solido come il cesio) viene dapprima ionizzata cioè caricata elettricamente, poi accelerata mediante una serie di griglie disposte nella direzione di emissione e portate ad un elevato potenziale elettrico: gli ioni emessi da questo tipo di motore raggiungono velocità dell'ordine di 30.000 m/s e quindi possono generare spinte considerevoli pur consumando poca massa.

Per accelerare gli ioni si consumerà molta energia elettrica ma questa, se si resta nel sistema solare, non è un grave problema perchè con i pannelli foto-voltaici è possibile captare dal Sole tutta l'energia necessaria.

I motori ionici sono un'innovazione relativamente recente e sono tuttora in fase sperimentale e non è ancora chiaro quale sia la migliore fra le numerose soluzioni tecnologiche, sia dal punto di vista dell'efficienza sia da quello dell'affidabilità.