Vedere la ISS solcare il cielo

Dopo aver parlato delle stelle cadenti, un altro oggetto che solca il cielo altrettanto rapidamente e per lunghi archi è un oggetto artificiale: la stazione spaziale internazionale ISS. La ISS è un satellite artificiale che orbita a poco più di 400 km sopra la superficie terreste. I primi componenti sono stati inviati nel 1998 ed ora è il più grande oggetto artificiale in orbita visibile a occhio nudo. Proprio questa è la caratteristica che la rende molto interessante, infatti conoscendo le sue coordinate è abbastanza facile seguirla nel cielo in quanto la sua luminosità può raggiungere quella di Venere. Attraversa il cielo da ovest verso est, dopo il tramonto o prima dell'alba, in pochi minuti, generalmente da 2 a 5. E' visibile quando dalla località di avvistamento ci sono le condizioni ideali, ossia oscurità, vicinanza e inoltre la stazione deve riflettere la luce del Sole e non deve essere in ombra o nel cono d'ombra della Terra.

La distanza di circa 400 km della stazione da Terra fa sí che il periodo orbitale sia particolarmente corto. Infatti si può applicare la terza legge di Keplero con i parametri orbitali relativi alla Luna (384400 km il semiasse maggiore e 27,321 giorni di periodo orbitale) e, ricordando la proporzionalità tra i quadrati dei periodi e i cubi dei semiassi, ottenere per un semiasse di 6780 km (raggio della Terra a cui sommare la distanza della ISS dalla superficie terrestre), un periodo di poco più di 90 minuti. In altri termini la ISS fa 15 volte il giro del mondo durante un giorno. La sua orbita è inclinata di 51,65º rispetto al piano equatoriale e per via delle perturbazioni dovute alla non sfericità e omogeneità della distribuzione della massa terrestre e al'interazione con Luna e Sole, l'orbita mantiene la stessa inclinazione ma il piano di giacenza ruota in ogni giro completo di poco più di 0,3º verso ovest per un totale di poco più di 5º in un giorno. Quindi in 72 giorni circa l'orbita torna prossima alle stesse condizioni viste da un luogo da Terra. Le opportunità per vedere la stazione dipendono dalla combinazione ideale delle condizioni che fanno sì che la ISS passi in orario notturno in prossima delle regioni della nostra latitudine e longitudine, si verificano quando il piano orbitale crea un angolo inferiore a 90º rispetto al piano del meridiano passante per la localitá di osservazione. La ISS risulterà ben visibile dopo il tramonto o prima dell'alba per circa tre settimane consecutive almeno una volta ogni mese e mezzo, intervallate da fasi di invisibilità completa di circa tre settimane. Consultando su appositi siti le finestre temporali, non più di 5-6 minuti, in cui la ISS sarà visibile, la si potrà vedere con un semplice binocolo distinguendone i particolari. Data la velocità che la caratterizza: 27740 km/h è abbastanza difficile poterla seguire con un telescopio. Questa enorme velocità è dovuta attualmente alle condizioni di equilibrio che si verificano durante il suo orbitare intorno alla Terra carraterizzato dalla conservazione del momento della quantità di moto. Questa velocità che sembra altissima è di circa 40000 volte più piccola della velocità della luce. Ma di circa 35 volte superiore a quello di areo di linea! Dalla stazione spaziale gli astronauti possono vedere la Terra scorrere sotto di sè ma non hanno tempo di farsi venire il mal di testa perchè sono occupati a fare molti esperimenti. E' infatti un bell'esempio di collaborazione internazionale che impegna Stati Uniti, Europa, Russia e Giappone.

L'ingresso della Cina è stato proposto dall'ESA. La stazione in orbita solca tutti i cieli del pianeta, a parte le regione prossime al circolo polare artico e antartico, e potrebbe fungere da messaggero per l'unità dei popoli, noi da Terra, almeno la possiamo vedere così.

Stelle cadenti

In questi giorni si sta verificando un fenomeno periodico ma sempre eccezionale: lo sciame delle stelle cadenti. Si verifica quando la Terra transita nella sua orbita in prossimità di zone dello spazio particolarmente denso di detriti provenienti dal passaggio di una cometa. Infatti le comete nella loro orbita molto eccentrica intorno al Sole, avvicinandosi a esso, rilasciano particelle che creano la coda delle comete stesse. Quando la Terra attraversa queste zone i detriti che entrano a contatto con l'atmosfera vengono bruciati dall'attrito creando scie luminose che marcano il cielo per una frazione di secondo. In questi giorni sono visibili le cosiddette "Liridi" che provengono cioé dalla costellazione della Lira. Gli sciami meteorici infatti sembrano provenire da un punto definito radiante per via della prospettiva che le linee parallele che in realtà seguono le scie, vengono viste da Terra. In questi giorni le stelle cadenti provengono da un punto che sta a est della stella Vega della Lira. In questi giorni si può vedere nella tarda serata nel quadrante nord un poco verso est. Sta infatti sorgendo la costellazione che ci farà compagnia per tutta l'estate insieme al Cigno e all'Aquila le cui stelle principali formano il triangolo estivo. Durante l'anno si verificano più sciami meteorici che si possono consultare nelle apposite liste per prevederle. Le prossime, a maggio, saranno le eta Acquaridis perchè provengono appunto dall'Acquario e quindi visibili poco prima del sorgere del sole. Un parametro che da un'idea della spettacolarità del passaggio è il tasso orario zenitale che indica quante meteore sono visibili a occhio nudo in una ora se il punto radiante fosse allo zenit. Un valore superiore a 1000 è caratteristico di una tempesta meteorica. Lo sciame meteorico più spettacolare generalmente è quello delle Perseidi che hanno il loro picco il giorno di S.Lorenzo, il 10 agosto.

Newton ovvero la chiusura del cerchio

Isaac Newton è l'uomo che nel 1687 chiude il cerchio dando la spiegazione più esaustiva mai avuta per i fenomeni naturali e dá inizio alla fisica moderna istituendo quella che oggi si definisce meccanica classica. Serviva un grande matematico che giá aveva dato vita al calcolo infinitesimale per completare l'analisi e fare la sintesi di tutti gli studi precedenti di Copernico, Brahe, Kepler e Galileo. Il percorso seguito sembra infatti una staffetta a squadre, con l'ultimo frazionista che prende il testimone e taglia il traguardo portando la medaglia al gruppo. In questo caso peró il record è per tutta l'umanità: dopo la enunciazione delle leggi della meccanica, non c'è effetto senza causa e vice versa, non c'è causa senza effetto. Il tutto è retto da leggi matematiche ben precise. La ragione fa un balzo in avanti fenomenale: i fatti si possono spiegare si quantificano e si dimostrano... si possono addirittura prevedere. Certo questo vale in un campo ristretto come la meccanica celeste ma ben presto si vedrà che questi principi sono validi per tante altre circostanze con buona approssimazione. Dall'ipotesi di Copernico sull'eliocentrismo sono passati circa 150 anni e finalmente questa idea ispiratrice trova la sua prova irrefutabile nella teoria della gravitazione universale di Newton. Ci sono volute le osservazioni meticolose e precise di Brahe, la loro analisi che sfocia nelle tre leggi di Keplero in chiave eliocentrica, il metodo sperimentale, il telescopio e le osservazioni di Giove e le se lune e infine le definizioni di velocità ed accelerazione di Galileo: tutto questo è stato la premessa necessaria per permettere a Newton di formulare la sua teoria. La chiave di volta è stato capire che c'è una forza che attrae i corpi, la stessa che fa cadere i gravi sulla Terra è quella che tiene vincolata la Luna ad orbitarci intorno. Da quel momento Newton ha cercato di esprimere questa forza avvalendosi delle relazioni matematiche e in questo modo è riuscito a racchiudere in una semplice espressione tutti i fenomeni in forma univoca e sintetica. Il concetto di forza è il passo fondamentale che consente a Newton di esprimere compiutamente la relazione di causa-effetto con il moto dei gravi e dei corpi celesti. Capisce infatti che il motivo per cui una mela cade a terra è lo stesso per cui la Luna curva la sua traiettoria e rimane vincolata alla Terra senza mai allontanarsi e senza mai cadere. In entrambi i casi sia la Luna che la mela si spostano verso il centro della Terra attratti da qualcosa: una forza. La Luna a differenza della mela è dotata di una notevole velocità tangenziale che le consente di percorrere un arco dell'orbita come risultante della caduta verso Terra mentre fugge per la tangente. Si tratta di una forza centrale dove cioè il moto risultante punta verso il centro. Viene in aiuto lo studio di Galileo sul moto dei gravi dove istituisce la definizione di velocità come variazione nel tempo del percorso compiuto e di accelerazione come variazione nel tempo della velocità. Ci vorrebbe il concetto di derivata ma ancora non esisteva, ci pensa Newton a capire che il moto come effetto della forza è da ricercarsi nella accelerazione che segue in direzione e proporzionalmente la forza. A questo punto Newton è in grado di enunciare le sue tre leggi. La seconda delle quali è la famosa

f=ma

forza uguale massa per accelerazione, che tutti i fisici, gli ingegneri e quanti si occupano di descrivere i fenomeni della natura o ne fanno applicazioni pratiche non scorderanno mai. Si tratta di una relazione matematica tra tre grandezze, di cui due vettoriali, in cui si dice che tra forza e accelerazione c'è un fattore di proporzionalità che è la massa. Concetto che esprime la quantità di materia di un oggetto. Newton con una semplice scrittura matematica comprende tutti i casi in cui un corpo cambia il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, in questo caso va cercata sempre una forza come causa di questa variazione. Non esisteranno più fenomeni inspiegabili, indagando con il metodo di Galileo: sperimentando e ripetendo le prove in differenti condizioni si potrà sempre trovare la causa e quantificarne gli effetti. Questa legge è valida in tutti i casi però tornando al moto dei corpi celesti, Newton fa anche di più, al posto di della forza sostituisce una espressione che consente di avere la prima equazione differenziale del secondo ordine da risolvere, l'equazione della gravitazione universale. Sono passati poco più di 100 anni da quando si è formalizzato il modo moderno di scrivere le equazioni, e Newton ne propone una di difficile soluzione ma ci riesce. L'equazione viene dal completamento dell'analisi di Keplero seguendo il percorso deduttivo del ragionamento scientifico: se l'orbita è ellittica e vengono spazzate aree uguali in tempi uguali ed inoltre il quadrato del periodo orbitale è proporzionale al cubo del semiasse magiore dell'orbita si arriva a dedurre che la forza che provoca tutto ciò è proporzionale all'inverso del quadrato del raggio istantaneo dell'orbita. La dimostrazione non è molto semplice, ma nel caso di orbita circolare, con la velocità angolare costante, il calcolo si semplifica e basta pensare che la condizioni di equilibrio tra accelerazione centrifuga e accelerazione gravitazionale e con la terza legge di Keplero per la quale il quadrato della velocità angolare va come l'inverso del cubo de raggio per ottenere la relazione enunciata da Newton. Il processo induttivo è ugualmente complesso: significa integrare la equazione differenziale della gravitazione universale e trovare che tipo di funzione del raggio orbitale si può ottenere. Il metodo da seguire risolve in forma chiusa il problema dei due corpi dal quale si ottiene che le orbite possibili possono essere solo curve coniche: ellisse (circonferenza come caso limite), parabola o iperbole. Finalmente gli studi che avevano impegnato Apollonio nel 190 a.C. per descrivere le proprietà geometriche delle sezioni di un cono, trovano la loro più alta giustificazione: sono i soli moti ammessi nel nostro universo! Quindi Newton riesce a completare il percorso di sintetizzare brillantemente le deduzioni di Keplero con una legge matematica, che se risolta dimostra che comprende come soluzione possibile il moto dei pianeti intorno al Sole o dei satelliti intono ai pianeti, ma anche il moto delle comete non periodiche e il moto dei gravi che si osserva sulla Terra. Ulteriore grande merito di Newton è stato di capire che esiste una costante di gravitazione universale che non riuscirà a misurare e che verrà determinata 71 anni dopo la morte di Newton. Ma non è la sola cosa che Newton non ha chiarito ed è perchè esiste questa forza e come si trasmette. Il problema è ancora aperto anche se sembra aver capito tutto sulla gravitazione. La teoria di Newton è valida sotto la condizione che il rapporto tra le masse dei due corpi è vicina allo zero così come quello tra le velocità dei corpi e la velocità della luce, ben verificate per il sistema solare.

La rivoluzione scientifica

Gli anni del Rinascimento sono quelli in cui Galileo potè trovare territorio fertile per le sue idee e in cui vissero personalità geniali e coraggiose che anticiparono in parte i suoi studi e che, dopo di lui, li completarono. La rivoluzione scientifica avviene in un periodo di circa un secolo e mezzo tra la pubblicazione di Niccolò Copernico "Le rivoluzioni degli astri celesti" nel 1543 e quella dell'opera di Isaac Newton "I principi matematici della filosofia naturale" del 1687. La pubblicazione di Copernico anticipa e quella di Newton segue, la pubblicazione di Galileo: "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo" del 1623. Ci sono state altre rivoluzioni scientifiche a cui hanno corrisposto cambiamenti di paradigma come la teoria della relatività di Einstein. Modi del tutto nuovi di intendere le cose che consentono di voltare pagina quando i tempi sono maturi e iniziare un nuovo corso delle cose. Questo non avviene solo per la scienza, tutti i fatti umani presentano epoche in cui valgono certi riferimenti e poi, quasi all'improvviso questi riferimenti vengono cambiati, in modo "rivoluzionario", per consentire al futuro di arrivare ed aggiornare la vicenda umana. In genere questi cambiamenti non sono poi tanto improvvisi, vengono anticipati da una serie di fatti che li precedono e li evocano come può essere per la fase economica e sociale che viviamo in questi anni. Tornando alla prima rivoluzione scientifica, essa fu il frutto del lavoro di alcuni studiosi in particolare, che sono stati i primi a sintetizzare idee già presenti nella loro epoca o ad associare esperienze anche lontane nel tempo che furono così recuperate. Per arrivare a Galileo è infatti necessario partire da Copernico e il suo "De revolutionibus orbium celestium" del 1540 pubblicato a due anni dalla sua morte a più di sessanta anni di età. Era molto che stava lavorando ad elaborare il sistema eliocentrico, circa 25 anni, ma preferì non pubblicarlo per evitare di entrare in conflitto con le teorie vigenti. Dai tempi di Tolomeo infatti non si era cambiato il modo di interpretare i fenomeni celesti. La Chiesa si era allineata alle teorie aristoteliche sulla perfezione del cosmo, che ponevano la Terra al centro dell'Universo... come da attendersi per la casa degli uomini figli di Dio. Copernico capì che mettendo il Sole invece della Terra al centro, il moto dei pianeti assumeva un'altra perfezione molto meno cervellotica del geocentrismo tolemaico. Di nuovo vedeva moti su sfere, non parlava di interazione di forze, ma tutto sembrava più in linea con le osservazioni. Non era stato il primo a pensare che i pianeti, Terra compresa, ruotano intorno al Sole, già l'astronomo greco Aristarco di Samo arrivò a queste conclusioni. Anche lui probabilemente avrà preso le idee da altri prima di lui per confrontarle con le sue osservazioni ma queste teorie furono perdenti rispetto alla mirabile costruzione logica di Aristotele. Certamente dopo tanti anni di oscurantismo medievale era difficile ammettere che tutti i corpi celesti erano sferici e soprattutto intendere che la Terra ruotasse su se stessa e che questo spiegasse il moto di stelle e pianeti durante la notte e del Sole durante il giorno. Sicuramente questo era difficile da giustificare contro l'obiezione del perchè allora le cose sulla superficie non volassero via. Ci vollero però altri due astronomi e matematici per consentire a Galileo di avere le condizioni giuste per arrivare al cambiamento di paradigma. Tycho Brahe (Danimarca, 1546-1601) raccolse moltissimi dati su posizioni di pianeti, Sole e Luna con una precisione mai raggiunta prima nell'osservatorio di Uraniborg e Stjornerborg. Lì osservò il moto di comete rendendosi conto che le traiettorie che seguivano erano delle ellisse allungate e non circonferenze perfette. Osservò anche l'esplosione di una supernova e si rese conto che il sistema Tolemaico non spiegava quello che vedeva. D'altronde non abbracciò mai la teoria copernicana anche perchè non ammetteva un moto proprio della Terra. Ma dopo di lui e grazie ai suoi dati Johannes Kepler (Germania 1571-1630) potè avvalorare la teoria di Copernico attraverso la matematica. Dimostrò che la centralità del Sole nel sistema copernicano consentiva di spiegare le traiettorie dei pianeti osservati da Brahe, vice versa questo non poteva avvenire se al centro ci fosse stata la Terra . Non riusciva ad accettare l'ipotesi di orbite ellittiche perchè si allontanavano dalla perfezione del mondo a cui aspirava. Ma era certo che le velocità di percorrenza delle orbite variavano, tanto più quanto più vicini i pianeti erano al Sole. Quindi ebbe l'idea che ci fosse una forza che si scambiavano il Sole e i pianeti che il Sole occupasse uno dei due fuochi dell'ellisse. Questa divenne la prima legge, mentre la seconda quantificava la relazione tra le aree spazzate dai pianeti lungo l'orbita e il tempo con cui avevano percorso una data area dello spazio. Infine rielaborando la massa di dati di cui disponeva si rese conto che c'era un'ulteriore relazione che dava conto della distanza dei pianeti dal Sole e cioè che il cubo dei semiassi maggiori delle orbite era proporzionale al quadrato dei tempi di rivoluzione intorno al sole. Questa fu la terza legge e insieme alle altre due permise a Isaac Newton (Inghilterra 1642-1727) di elaborare la teria della gravitazione universale attraverso una unica legge di causa-effetto le cui conseguenze erano appunto le leggi di Keplero in un rapporto di biunivocità perfetta tra osservazioni e teoria. Tra questi personaggi si inquadra l'opera di Galileo. Le idee rivoluzionarie di Copernico, Brahe e Kepler erano ancora divulgate in latino e rimanevano in ambienti accademici, fu Galileo a esprimerle in forma comprensibile ai più ed è per questo che divenne tanto pericoloso per le idee vigenti. Galileo ebbe il merito di iniziare a indagare il mondo in un modo nuovo, facendo esperimenti e misurando le grandezze fino a stabilire attraverso la matematica delle relazioni tra di esse. La geometria anche aiutava a rappresentare le situazioni reali in modelli ideali al cui livello poter speculare per ottenere risultati generalizzabili. Definì per primo i concetti di velocità istantanea, velocità media e accelerazione. Sostituì la filosofia aristotelica puramente teorica con una nuova razionalità basata sulla esperienza. Quando puntò il suo telescopio sulla Luna scoprì che non era affatto liscia ma caratterizzata da pianure e montagne e che le ombre si creavano anche lì come sulla Terra. Studiò le fasi di Venere, che si presenta come una falce, esattamente come la Luna, dando conferme alle teorie eliocentriche. Indagò anche sul Sole e scoprì le macchie e che esse cambiavano posizione nel tempo, con velocità diverse secondo la distanza dall'equatore. Il Sole stesso, corpo perfetto, quindi ruotava sul proprio asse. Comprese che i quattro corpi che ruotano intorno a Giove sono suoi satelliti come la Luna è per la Terra e per la prima volta l'uomo fece una scoperta al di fuori della Terra senza usare l'immaginazione. Anzi, tutto era ripetibile e a disposizione di chi ricevesse uno dei suoi telescopi di cui fece dono a molti tra studiosi e potenti del tempo affinchè si sincerassero con i loro occhi. Quando trattò anche le maree come un effetto della rotazione terrestre iniziò ad essere percepito come un pericolo per le teorie del tempo. Inoltre la sua convinzione era vista come presunzione rispetto alle teorie del grande Aristotele, che una dietro l'altra rischiavano di crollare. Quindi gli fu imposto il silenzio, ma quando pubblicò il "Dialogo sopra i massimi sistemi" in lingua volgare raggiunse il punto di non ritorno e sotto processo di eresia gli fu imposto di sconfessare le sue idee. Seguì gli studi di meccanica e continuò a pubblicare con definizioni, dimostrazioni e corollari dando gli strumenti della nuova fisica. Divenuto completamente cieco morì nel 1642 nello stesso anno in cui nacque il suo migliore successore tra i fisici del tempo: Isaac Newton. C'erano tutti gli strumenti e le idee perchè si producesse il definitivo balzo in avanti che avrebbe portato alla scienza moderna. In una breve formula matematica, Newton sarebbe riuscito a comprendere tutti i fenomeni che riguardavano la gravità, riunendo sotto una sola causa i moti dei gravi sulla Terra e quello di pianeti, satelliti e comete fuori da essa. Dopo lunghi anni di osservazioni a cui erano seguite delle deduzioni che avevano portato alle tre leggi di Kepler, dopo la definizione del metodo scientifico e dello studio delle relazioni tra le grandezze fisiche nel moto dei corpi fatto da Galileo, finalmente si poteva chiudere il cerchio. Attraverso una legge frutto di una sintesi estrema che condensava tutte le esperienze nella equazione di gravitazione universale, si poteva ridiscendere nel singolo fenomeno e inaugurare il metodo induttivo-deduttivo con il quale abbiamo costruito una razionalità nuova. I tempi erano maturi per studiare il "perchè del perchè" delle cose!