La forza di gravità, spiegata

La percepiamo tutti i giorni ed e’ esercitata da qualunque corpo dotato di massa. Ecco cos’è la forza di gravità e quali sono le sue proprietà.

C’è una forza che percepiamo tutti i giorni e che attira qualunque corpo dotato di massa. Si tratta della gravità o, come viene definita in fisica newtoniana, della forza di gravità, o forza peso. Ma cerchiamo di capire come ci si è arrivati a capirne la natura e quali sono le proprietà della forza di gravità.

Come ci si è arrivati

Fu Isaac Newton, nel 1666, ad accorgersi che ogni oggetto dotato di massa esercita questa forza sugli altri corpi, attraendoli. Questa forza, poi, varia a seconda della massa degli oggetti: maggiore è la massa, maggiore la forza esercitata. La Luna, ad esempio, esercita una forza di gravità circa sei volte inferiore a quella terrestre ed ecco spiegato perché gli astronauti si sentono così leggeri sul suolo lunare.

Forza peso e accelerazione di gravità

La fisica classica ci insegna che un corpo in caduta libera accelera verso il basso con un’accelerazione costante indicata con g, che sulla Terra e’ pari a 9,81 m/s². Questo valore, come detto, è costante e non dipende dalla massa degli oggetti. Dal secondo principio della dinamica (che afferma che una forza agente su un corpo imprime su di esso un’accelerazione nella stessa direzione e verso della forza applicata), possiamo dedurre che sulla Terra: Fp = mg (la forza peso ha un valore pari alla massa del corpo moltiplicata per l’accelerazione di gravità g).

La caratteristica principale della forza peso è che è direttamente proporzionale alla massa del corpo e cambia solo se cambia anche la massa, dato che g è una costante.

Con questi presupposti, la Terra attira a sé qualsiasi oggetto esercitando una forza differente, perché diverse sono le masse dei corpi su cui la esercita. È l’accelerazione impressa a ciascun corpo che ha sempre lo stesso valore (g). Si immagini ad esempio di voler spostare con la stessa accelerazione un armadio e un carello vuoto della spesa: il primo necessitera” di una forza maggiore rispetto al secondo affinche’ entrambi accelerino allo stesso modo.

Bisogna infien chiarire un aspetto importante: il valore di g cambia in base all’altitudine (ne parleremo prossimamente) e più precisamente alla distanza che intercorre fra il corpo e il centro della Terra. In pratica uno scalatore in cima all’Everest è soggetto a un’accelerazione gravitazionale leggermente minore e quindi una forza peso minore rispetto a quella che percepirebbe sul livello del mare.

Da forza a curvatura

Nella teoria della relatività generale di Einstein, la gravità non viene considerata come una vera e propria forza, bensi’ viene trattata come un fenomeno risultante dalla curvatura dello spazio-tempo. Questa curvatura è causata dalla presenza di massa. Generalmente, maggiore è la massa contenuta in un dato volume di spazio, maggiore è la curvatura dello spaziotempo. Fu nel 1919, il 29 maggio, che la teoria di Albert Einstein trovo’ la sua prima grande conferma. Fu confermata da Sir Arthur Eddington durante l’eclissi solare del 29 maggio 1919, che offri’ le condizioni ideali per rendere visibili e misurare le posizioni delle stelle attorno al disco solare: queste stelle, normalmente non visibili durante il giorno a causa della luminosità del Sole, sarebbero state visibili durante il momento della totalità dell’eclisse, quando la Luna avrebbe coperto del tutto il disco solare. Una differenza nella posizione osservata delle stelle durante l’eclisse, rispetto alla loro posizione normale durante la notte, avrebbe indicato che la luce di queste stelle si era piegata mentre passava vicino al Sole a causa del suo campo di gravita’, come previsto dalla Relativita’ Generale, pubblicata da Einstein appena quattro anni prima, nel 1915. Tale effetto, inoltre, sarebbe impossibile secondo la descrizione puramente newtoniana della gravita’, in quanto i fotoni della luce sono privi di massa e dovrebbero essere quindi insensibili all’interazione gravitzionale. Ma tutto cio’ venne di fatto osservato, e quindi confermato: la luce si incurvava, lo spazio era incurvato! Tali osservazioni furono pubblicate sui media internazionali, rendendo Einstein famoso in tutto il mondo.

Verrebbe quindi spontaneo chiedersi se la visione newtoniana e einsteiniana della gravita’ non siano tra loro in contraddizione. In realta’ non e’ cosi, in quanto la Relativita’ Generale, in condizioni di basse energie e campi di gravita’, si riduce essenzialmente al caso newtoniano, trovandosi in eccellente accordo. E’ necessario invece un approccio “relativistico” man mano che consideriamo tempi, energie e campi gravitazionali via via piu’ importanti, cosa che si inizia a notare, ad esempio, gia’ nelle correzioni necessarie per il corretto funzionamento del GPS.

Riferimenti:

• https://www.focusjunior.it/scuola/scienze/che-cose-la-forza-di-gravita/