Fisica e Videogiochi: come viaggiamo nello spazio?

La fionda gravitazionale, gravity assist in inglese, è una tecnica utilizzata nei viaggi interstellari per cambiare rotta o velocità di un veicolo spaziale. Il motivo principale per cui si utilizza la fionda gravitazionale è molto semplice: risparmiare carburante. Sicuramente l’avrete vista in film come The Martian, scopriamo assieme come funziona.

Viaggiare nello spazio è un mestiere delicato, perché è così importante risparmiare carburante quando si manda qualcosa in orbita? Una quantità eccessiva di carburante all’interno del razzo condurrebbe a serie difficoltà nel momento del decollo a causa del grande peso del veicolo. È quindi più logico utilizzare gran parte del carburante per il decollo e cercare di sfruttare le spinte gravitazionali dei pianeti per muoversi nello spazio aperto.

Questa tecnica è stata adottata da Voyager 2 che ha usato la gravità di Giove, Saturno e il fortunato allineamento di Urano e Nettuno per raccogliere informazioni su questi pianeti e continuare a inviarci dati dagli estremi confini del nostro sistema solare.

Entrando nel dettaglio, consideriamo una navicella che si avvicina ed entra nel campo gravitazionale di un pianeta: la navicella guadagna energia cinetica, ossia velocità, a discapito dell’energia potenziale gravitazionale, esattamente come una pallina che rotola all’interno di una buca. Quando arriva alla minima distanza dal pianeta (compatibilmente con la sua velocità inziale) la navicella deve uscire dal campo gravitazionale del pianeta e quindi diminuirà la sua energia cinetica, acquisendo di nuovo energia potenziale gravitazionale, esattamente come la pallina che risale il lato opposto della buca.

Durante questo procedimento quindi l’energia si è conservata e quando la navicella esce dal campo gravitazionale del pianeta possiede la stessa velocità ma avrà direzione diversa. In realtà però bisogna tenere conto che anche il pianeta si muove: per avere una visione più completa del problema è quindi necessario mettersi nel sistema di riferimento del Sole.

Per fare ciò si aggiunge, tramite semplici leggi vettoriali, la velocità del pianeta al pianeta stesso e alla navicella. Se supponiamo che la navicella entri in verticale nel campo gravitazionale del pianeta con velocità v’ ed esca con la stessa velocità ma seguendo una traiettoria orizzontale, nel sistema di riferimento del Sole è necessario aggiungere la velocità v del pianeta, ottenendo che la navicella esce dall’orbita con una velocità pari a v+v’, ossia con un guadagno di velocità.

Questo accade perché avviene uno scambio di quantità di moto ed energia cinetica tra pianeta e navicella: a causa della sua grande massa quindi il pianeta rallenta in modo praticamente impercettibile mentre invece la navicella, acquisendo una grande quantità di moto, aumenta di molto la sua velocità.

Alessandro Cossard è laureato in fisica, attualmente studente presso la facoltà di Fisica dei Sistemi Complessi presso l’università di Torino. Grande appassionato di videogiochi, i suoi interessi principali sono la chimica quantistica e il modello di Ising.