Che cosa è l’astrodinamica? Potrebbero essere fornite molte definizioni afferenti alla meccanica celeste piuttosto che alla dinamica orbitale, ma una citazione estremamente appropriata potrebbe essere quella riportata da Griffin, Space vehicle design:

L’astrodinamica è lo studio del moto di un oggetto nello spazio, sottoposto sia a forze naturali che a forze indotte artificialmente

Da una prospettiva puramente storica (e attenendoci alla definizione appena data) per narrare la storia dell'astrodinamica bisognerebbe partire dagli anni '50 del secolo scorso; tuttavia, per una completa comprensione dei fenomeni che la caratterizzano, è essenziale esaminare i suoi predecessori: l'astronomia e la meccanica celeste.

Nicolò Copernico (1473-1543)

Tra i famosi astronomi dell’antichità, un ruolo di assoluta rilevanza spetta a Nicolò Copernico, il cui merito principale fu quello di proporre l’idea che la Terra non fosse al centro dell’universo, ma questo sia in realtà eliocentrico, ossia con il Sole a fungere da centro e tutti i pianeti rotanti attorno ad esso. Copernico pubblicò il lavoro contenente questi concetti rivoluzionari solo nel 1543 (sul punto di morte, viste le difficoltà oggettive a far accettare dall’opinione pubblica una teoria così controversa) in un lavoro nominato De Revolutionibus Orbium Coelestium (Sulle Rivoluzioni Della Sfera Celeste).

           

Pur risultando assolutamente rivoluzionario, da un punto di vista prettamente scientifico il lavoro di Copernico non era privo di lacune: prima tra tutte l'ipotesi che le orbite fossero circolari, e non ellittiche come nella realtà.
Le supposizioni di Copernico misero a dura prova tutte le convinzioni sino ad allora maturate nei campi filosofici e religiosi, rappresentando una vera e propria "rivoluzione copernicana" del pensiero che non mancò di coinvolgere illustri successori come Galileo e Keplero.

Galileo Galilei (1564-1642)

Galileo fu senz'altro uno dei personaggi più illustri che la storia scientifica italiana ricordi. Avviato sin dagli anni della gioventù agli studi di medicina, ben presto si appassionò alla causa della scienza applicata dedicandosi alla meccanica ed all'idraulica. Diventato insegnate all'università di Pisa prima e a quella di Padova poi, abbraccia la teoria copernicana occupandosi in prima persona di osservazioni astronomiche (introducendo peraltro l'utilizzo del cannocchiale ai fini dell'osservazione scientifica).

                          

Tra il 1610 ed il 1615 le sue opere ed osservazioni iniziano ad infastidire notevolmente la chiesa, che le considera contraddittorie rispetto alle Sacre Scritture: gli scritti copernicani vennero bollati come stolti ed assurdi e Galileo iniziò ad avere rapporti controversi con la chiesa, che si guastarono definitivamente nel 1630 a seguito della pubblicazione del "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo", nel quale si sosteneva piuttosto apertamente la tesi copernicana a sfavore di quella "geocentrica" ufficiale. Giudicato dal tribunale dell'Inquisizione nel 1632, fu giudicato colpevole e condannato all'abiura delle tesi copernicane; inoltre fu imprigionato ed il suo "Dialogo" messo al bando.In seguito alla prigionia venne poi esiliato presso Arcetri , dove le sue condizioni di salute peggiorarono fino a portarlo alla cecità. Morì in esilio nel 1642.

Giovanni Keplero (1571-1630)

Fortunatamente il fertile terreno dell'epoca fece fiorire altre menti eccezionali: Keplero, insieme a Tycho Brahe, contribuì in maniera determinante alla formulazione delle leggi su cui si basa la moderna astrodinamica. Quando infatti, nel 1601 diventa matematico di corte presso l'Imperatore Rodolfo II di Praga, ereditò una grandissima quantità di dati riguardanti la posizione osservata dei pianeti. Concentratosi su Marte per via della sua elevata eccentricità, lavorò molti anni prima di pubblicare nel 1609 "Astronomia nova", contenente le prime due leggi sul moto dei pianeti. La terza legge vide la luce solo nel 1619, nello scritto "Harmonices mundi"  che trattava anche di musica e astrologia .

       

Le tre leggi di Keplero sono qui riportate

1) Le orbite descritte da ogni pianeta sono ellissi con il Sole in uno dei fuochi

2) La linea congiungente ogni pianeta con il Sole spazza aree uguali in tempi uguali

3) Il quadrato del periodo di un pianeta è proporzionale al cubo della sua distanza media dal Sole

La prima legge afferma che, contrariamente alle ipotesi di copernico, ogni pianeta segue una traiettoria ellittica (quasi circolare, per essere onesti...),  e questo porta alla definizione di un certo set di elementi ereditati dalla geometria piana. Uno dei più importanti è il semiasse maggiore, che fornisce un'idea immediata delle dimensioni dell'orbita.

La seconda legge fornisce la regola con la quale varia le velocità dei pianeti rispetto al Sole: minore è la distanza, maggiore è la velocità. LA figura sottostante (fonte Wikipedia) mostra in verde il vettore velocità: la dimensione è massima quando il punto è vicino al fuoco dell'ellisse e minima quando il punto è lontano da esso. Larea spazzata (in blu nella figura) è costante nel tempo.

La terza legge indica che più grande è l'orbita, maggiore è il tempo necessario per percorrerla e mette in relazione il periodo orbitale con il semiasse maggiore.

La modesta considerazione che Keplero aveva del suo sforzo differisce grandemente dalla percezione odierna: queste leggi infatti delineano in maniera netta il passaggio verso la formulazione della legge di gravitazione universale ad opera di Newton.

Isaac Newton(1642-1727)

Nato pochi mesi dopo la marte di Galileo, Sir Isaac Newton appartiene a quella ristretta cerchia dei geni universali, coloro che con le loro opere e scoperte hanno cambiato il mondo ed il corso della storia. Filosofo, matematico, fisico ed alchimista, nella prime fasi della sua carriera scientifica si occupò di analisi matematica ed in particolare approcciò le basi del calcolo differenziale, che si sarebbe poi dimostrato fondamentale per la dimostrazione delle sue teorie sulla gravitazione universale.
Si occupò molto anche di ottica, e tra le altre scoperte fu il primo a dimostrare che un prisma può scomporre la luce in uno spettro di colori.
Il motivo per cui Newton viene universalmente ricordato è però quello delle sue eccezionali scoperte di meccanica classica. La leggenda vuole che, durante un riposo pomeridiano presso la sua tenuta di campagna, una mela gli cadde sulla testa, facendolo così riflettere sul motivo per cui, al contrario, la Luna non precipitasse al suolo, forse sintomo del fatto che ci fosse una forza "oscura" tendente ad attrarre tra loro i corpi, ma comunque dipendente dalla distanza tra questi. Nel 1687 pubblica l'opera  Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principi matematici della filosofia naturale), uno dei capolavori assoluti della storia scientifica mondiale, considerato (a ragione) per trecento anni il testo di riferimento per gli studiosi di meccanica e di fisica.

       

Nei Principia sono contenute tra l'altro le tre leggi (equazioni) del moto, che ogni studente ha affrontato nel corso della sua carriera:

1) Ogni corpo non soggetto a forze esterne persevera nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme (principio di inerzia)

2) La variazione dello stato di moto è proporzionale alla forza motrice impressa e avviene lungo la direzione della forza stessa (la celeberrima F = ma)

3) Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria (principio di azione e reazione)

L'impronta indelebile che Newton diede alla moderna astrodinamica è però contenuta nel terzo libro dei Principia e risponde al nome di legge di gravitazione universale:

Il significato è straordinario ed apre tra l'altro le porte all'unificazione della fisica galileiana con gli scritti di Keplero: due corpi, dotati rispettivamente di massa M ed m, si attraggono vicendevolmente con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, disposta lungo la congiungente dei loro centri di massa.
Newton contribuì in maniera determinante alla sviluppo del pensiero moderno, rappresentando il culmine di un'epoca straordinaria e collocandosi tra i personaggi simbolo della storia universale, nonostante in una lettera indirizzata al suo collega Hooke scrisse: "Se ho visto più lontano, è solo perché stavo sulle spalle di giganti..."

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Posted on November 4, 2010