Campo gravitazionale: cos’è e come calcolarlo

Che cos’è e da chi è stato scoperto il campo gravitazionale?

Prima di parlare del campo gravitazionale dobbiamo definire le regole che soggiacciono alla forza di attrazione gravitazionale. In primis è una forza che agisce a distanza e quindi non è necessario che due corpi siano in contatto per risentire di tale forza, inoltre tale forza non ha bisogno di un mezzo per propagarsi ma si espande anche nel vuoto proprio come avviene nello spazio.  Dobbiamo immaginare il campo gravitazionale come una forza esercitata da un corpo di massa M che si espande nello spazio circostante al corpo, se un altro corpo di massa m entra in questa zona subirà una forza F attrattiva, tale forza è chiamato campo gravitazionale. Nel sistema internazionale l’unità di misura è quella dell’accelerazione quindi m/s al quadrato. La sua formula matematica è g=F/m.

La storia del campo gravitazionale è collegata alla legge di gravità che venne riconosciuta e analizzata per la prima volta da Isaac Newton nel 1687 nella sua opera Philosophiae naturalis principia mathematica.

Quanto vale il campo gravitazionale terrestre?

La storia del campo gravitazionale terrestre inizia nell’antico mondo greco quando alcuni filosofi pensarono che semplicemente gli oggetti più pesanti sono destinati a cadere e quelli più leggeri a salire, senza l’ingresso in gioco di una determinata fora specifica. Lo stesso Aristotele, sbagliando, era convinto che oggetti di diverso peso cadessero in modo diverso e in tempi diversi, ma questa tesi fu contraddetta già nel sesto secolo da Giovanni Filopono. Gli esperimenti di Filipono vennero ripresi secoli successivi sia da Galileo che da Newton i quali riscontrarono gli stessi risultati, in un ambiente privo di aria e quindi di attrito, una piuma e un sasso cadono nello stesso tempo con stesse velocità.

Il peso di un corpo sulla terra è dato dalla forza di gravità e dalla forza centrifuga prodotta dalla rotazione della Terra, tale forza sarà massima all’equatore e minima ai poli in quanto vicinissimi all’asse di rotazione. perciò l’accelerazione di gravità varrà 9.77 m/s al quadrato e 9.83 ai poli, solitamente si utilizza una media generale fissando l’accelerazione di gravità a 9.81 m/s al quadrato.

Come si rappresenta su carta il campo gravitazionale?

Il campo gravitazionale viene rappresentato su carta mediante delle linee di campo. Queste linee di campo sono sempre dirette verso il centro del corpo e hanno una simmetria radiale, e sono più fitte in prossimità della superficie e più diradate mentre ci si allontana dal corpo.

Campo gravitazionale: definizione newtoniana e einsteiniana

Il campo gravitazionale nella storia ha avuto due diverse concezioni, la prima quella adottata dalla fisica classica e studiata da newton lo vede come un campo di forze conservative (una forza si dice conservativa se il lavoro compiuto da essa, lungo un cammino chiuso, è nullo).

La seconda concezione arriva solo agli inizi del 1900 con gli studi di Einstein sulla relatività. Dal punto di vista Einsteiniano il campo gravitazionale rappresenta la differenza fra il tensore metrico dello spazio-tempo e il tensore metrico dello spazio tempo di Minkowski. Il campo gravitazionale è in grado di modificare lo spazio tempo e solitamente lo si rappresenta come una sfera che si appoggia su un lenzuolo tirato.

Campo gravitazionale: Effetti prodotti sulla Terra: le maree

Le maree possono essere definite come dei movimenti periodici delle acque dei mari dovuti all’equilibrio dinamico della forza gravitazionale della terra e quella dei corpi massivi più vicino come la Luna o il Sole. La forza di gravità è sempre attrattiva, non conosce ostacolo, anzi ogni possibile ostacolo si unisce a lei aumentando la sua forza. Come la forza elettromagnetica, la forza di gravità agisce a una distanza infinita e un risultato di ciò sono le maree.

Le maree si formano dal passaggio del sole o della luna sul meridiano del luogo, questo perché gia come sosteneva Newton la forza di marea è molto più influenzata dalla distanza che dalla massa.  Le maree non avvengono per diretto spostamento della quantità di acqua, ma per sollevamento degli strati di acqua superficiali, propri come se il liquido cercasse di seguire l’apparente movimento del Sole o della Luna seguendo la regola del parallelogrammo vettoriale. Nei mari chiusi gli spostamenti di acqua possono raggiungere anche i 15 metri, emblematico è il caso francese di Mont Saint- Michelle, un  luogo che durante il giorno, a causa delle maree, può essere un isola come un pezzo di terra raggiungibile con le automobili.

Campo gravitazionale: differenze con il campo elettrico

Campo elettrico e campo gravitazionale mostrano alcune analogie e alcune differenze. Iniziamo a vedere le somiglianze: entrambi i concetti si basano sull’idea generale di campo ossia una porzione di spazio modificata da un oggetto, il campo gravitazionale scaturisce da una massa mentre il campo elettrico da una carica elettrica. Tutti i corpi generano un campo gravitazionale ma non tutti i corpi possono generare un campo elettrico, possono farlo solo quelli in possesso di una carica elettrica. Entrambe le equazioni dei campi hanno la stessa struttura ossia abbiamo una diretta proporzionalità con la massa/carica e una inversa proporzionalità quadratica rispetto alla distanza. Sono entrambi campi che vengono rappresentati da linee di campo e possono essere descritti in ogni punto dello spazio da un vettore.

Osservando ora qualche differenza possiamo notare come il campo gravitazionale generi una forza attrattiva mentre il campo elettrico può generare una forza o attrattiva o repulsiva in base al segno delle cariche prese in analisi. Di conseguenza anche linee di campo del campo elettrico non saranno sempre entranti come nel campo gravitazionale ma la direzione dipenderà dalla carica interagente.