Un sogno. Nell’immaginario, con Icaro o i supereroi delle serie fantastiche. Nella vita reale, per saltatori con l’asta, piloti di aeroplani o astronauti. Questo sogno, volare, sottrarsi a questa forza di gravità che, implacabile, ci attacca al suolo, ci tiene confinati alla superficie della Terra. Libertà dalla gravità, che libertà sarebbe!
Per gli astronauti, questo sogno è quasi una realtà, grazie alla Stazione Spaziale Internazionale. In questa astronave tutto sembra fluttuare, come finalmente liberato dal suo peso.
Ma, a proposito, la gravità terrestre ha solo l’effetto di schiacciarci al suolo?
Per rispondere a questa domanda, va notato che l’attrazione gravitazionale agisce sulla massa degli oggetti, qualunque essi siano. Se osserviamo una biglia cadere in aria, dobbiamo immaginare che ogni pezzetto della biglia sia attratto verso il centro della Terra. La forza gravitazionale viene applicata all’intera palla, al suo volume. Agisce allo stesso modo sui gas che compongono la nostra aria circostante, creando così la nostra atmosfera protettiva. Senza gravità non ci sarebbe l’atmosfera e probabilmente nemmeno la vita.
Affrontiamo le cose da una prospettiva fisica. Il movimento di ogni oggetto (si parla di un corpo) dipende dalle forze che agiscono su di esso. Imponendosi su qualsiasi corpo dotato di massa, la forza di gravità si ritrova in moltissimi fenomeni della nostra vita quotidiana, se non in tutti. Ritirare questa forza equivarrebbe a inibire i fenomeni di cui è all’origine. Abbiamo già menzionato l’esistenza della nostra atmosfera. Sarà altrettanto per la spinta di Archimede.
Esiste nello spazio?
A causa della gravità, la pressione in un fluido (aria, acqua) aumenta con la profondità. Pertanto, se un oggetto è immerso nell’acqua, la pressione che sperimenterà sotto di esso sarà maggiore di quella sopra. Questa differenza fa sì che l’oggetto venga spinto verso l’alto. Se la sua densità è inferiore a quella dell’acqua, questa spinta di Archimede lo farà salire fino alla superficie dell’acqua. In assenza di gravità, niente più galleggiamento… e niente più oggetti che affondano! Niente più masse d’aria calda che salgono in aria più fredda e con esse, niente più mongolfiere, niente più riscaldamento con termosifoni, niente più combustione (candela, fuoco, ecc.) mantenuta dal rinnovo dell’aria circostante costantemente riscaldata.
Tutti questi presupposti, e molti altri, sono oggetto di esperimenti scientifici. L’obiettivo è determinare il ruolo svolto dalla gravità in questo o quel fenomeno. In questi esperimenti, gli scienziati vedono la gravità come una forza tra le altre, che può essere variata: un po’ come spingere più o meno forte su un oggetto.
Il problema è che è impossibile superare la gravità. Sono stati quindi creati diversi mezzi per simulare la sua assenza: razzi sonori, torri a caduta libera, voli parabolici, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). In tutte queste piattaforme sperimentali l’obiettivo è quello di “lasciare cadere” l’esperimento, laboratorio compreso, per annullare il peso dell’insieme. Quanto dura questa situazione di apparente assenza di gravità dipende direttamente da quanto tempo può essere mantenuta questa “caduta”: da 10 secondi in una torre in caduta libera, a diversi mesi nella ISS.
Quali esperimenti eseguire in assenza di gravità?
L’assenza di peso consente di studiare gli oggetti facendoli fluttuare nell’aria senza toccarli. Ciò è particolarmente adatto nei casi in cui l’oggetto in questione non può essere toccato, perché ad esempio è carico di elettricità.
Come la gravità, la forza elettrica agisce sul volume dei corpi. Per gli elettroni, che sono molto leggeri, domina la gravità. D’altra parte, per oggetti più grandi come le gocce d’acqua, non è più così. Tuttavia, le gocce caricate elettricamente si trovano sia nell’industria (spruzzi di vernice e metallo) che nella ricerca fondamentale (gas da gocce caricate elettricamente).
Ogni giorno, è tra le nuvole che troviamo gocce d’acqua cariche di elettricità. Questa elettricità è l’origine di fulmini. Tuttavia, il meccanismo con cui le gocce vengono caricate e le interazioni che subiscono (collisioni, fusioni, rotture…) sono relativamente poco conosciute. Effettuando esperimenti in assenza di gravità, diventa possibile far interagire le gocce e osservarne la dinamica per alcuni secondi, senza toccarle e senza che vengano disturbate. È anche possibile studiare l’influenza della carica elettrica sulla dimensione delle gocce di pioggia.
In determinate situazioni è utile effettuare esperimenti in assenza di gravità per evidenziare una forza di minore importanza rispetto alla gravità.
L’assenza di gravità per rivelare la capillarità
Con la sua azione sull’intero volume dei corpi, la gravità agisce su lunghe distanze: la Terra è attratta dal Sole, che è molto lontano. Al contrario, il campo d’azione della forza responsabile della forma sferica delle gocce di pioggia è limitato alla superficie dei liquidi. Questa forza è chiamata tensione superficiale. Si manifesta solo al confine tra due fluidi: aria e acqua, per esempio. Possiamo notare la sua esistenza in determinate situazioni precise. Ad esempio, devi soffiare per produrre una bolla di sapone. La poca energia che ci costa questo sforzo è servita a contrastare la tensione superficiale.
Per la maggior parte degli oggetti, la gravità domina la tensione superficiale. Per invertire la tendenza, prendi in considerazione piccoli oggetti liquidi: gocce d’acqua, per esempio. In questo caso la tensione superficiale è in grado di imporre la forma sferica alla goccia, anche se questa è depositata su un tavolo. Sfortunatamente, se il volume della goccia aumenta un po’ (circa 10 mm3 sono sufficienti), la gravità prende il sopravvento e la goccia si appiattisce fino a diventare una pozzanghera.
Per sfruttare al massimo l’effetto della tensione superficiale, diversi studi sull’assenza di gravità si concentrano sulla schiuma di sapone. Con le loro centinaia di bolle, le schiume presentano un’ampia superficie liquida e massimizzano l’effetto della tensione superficiale. Sotto l’effetto della gravità, il liquido presente nella schiuma tende a sprofondare e la schiuma si asciuga fino a scomparire. In assenza di peso, questo fenomeno scompare ed è possibile studiare le schiume umide. Le caratteristiche (stabilità, resistenza meccanica, ecc.) di queste schiume umide permettono di comprendere meglio la fisico-chimica di questi particolari materiali. I risultati di questa ricerca forniscono informazioni utili in molti campi industriali (ad esempio per lo sviluppo di materiali leggeri e resistenti) e nella scienza fondamentale (flussi confinati).
Esplorazione spaziale, a meno di 400 chilometri da terra
Cercando di nascondere l’azione della gravità, la ricerca sulla microgravità e l’assenza di gravità fa della conquista dello spazio un mezzo e non un fine. Completano i programmi volti a comprendere l’immensità dell’universo e offrono l’opportunità di avvicinarsi ai voli a bordo con una migliore conoscenza dell’ambiente in cui gli astronauti sarebbero immersi. Tutti questi risultati si ottengono comunque rimanendo, in definitiva, molto vicini alla superficie terrestre: un volo parabolico avviene a circa 10 chilometri di quota e la ISS si trova a soli “a” circa 400 chilometri dalla Terra.
Autore
Hervé Caps, Università di Liegi
