Salta al contenuto
Note per Studenti Energia potenziale gravitazionale e orbite

Energia potenziale gravitazionale e orbite

In questa pagina 8
In questa pagina 6

Prima: Legge di gravitazione universaleDue masse si attraggono con forza G m1 m2 / r² lungo la congiungente. Da qui l'accelerazione di gravità g = GM/R² e come cambia con la quota, l'uguaglianza tra massa inerziale e gravitazionale, le tre leggi di Keplero e le orbite circolari (v = √(GM/r), T² ∝ r³).Legge di gravitazione universale →, Forze conservative ed energia potenzialeUna forza è conservativa se il suo lavoro dipende solo dalla posizione iniziale e finale (non dal percorso). Allora esiste un'energia potenziale U con W = −ΔU e F = −dU/dx: peso mgy, molla k(Δl)²/2. L'attrito non è conservativo. I minimi di U sono equilibri stabili.Forze conservative ed energia potenziale →, Conservazione dell'energia meccanicaL'energia meccanica E = K + U resta costante se compiono lavoro solo forze conservative. Se lavorano anche forze non conservative (attrito), la variazione di E è uguale al loro lavoro: W_nc = E_B − E_A. Il grafico di U(x) con la retta E mostra dove il moto è possibile e i punti di inversione.Conservazione dell'energia meccanica →. Esercizi: Esercizio 51 · gravità e orbite intorno alla Luna, Esercizio 52 · gravità e orbite intorno a Marte, Esercizio 53 · satellite su orbita circolare ed ellittica, Esercizio 55 · Apollo 8, massa e raggio della Luna.

L'energia potenziale gravitazionale

La forza gravitazionale è centrale e dipende solo dalla distanza rr: forze di questo tipo sono conservative (Forze conservative ed energia potenzialeUna forza è conservativa se il suo lavoro dipende solo dalla posizione iniziale e finale (non dal percorso). Allora esiste un'energia potenziale U con W = −ΔU e F = −dU/dx: peso mgy, molla k(Δl)²/2. L'attrito non è conservativo. I minimi di U sono equilibri stabili.Forze conservative ed energia potenziale →). Si può quindi definire un'energia potenziale U(r)U(r) tale che il lavoro della gravità tra due posizioni sia W=U(rA)−U(rB)W = U(r_A) - U(r_B).

Calcolo. Un corpo di massa mm si sposta da distanza rAr_A a distanza rBr_B dal centro di un pianeta di massa MM. Solo lo spostamento radiale drdr conta (lo spostamento perpendicolare al raggio è perpendicolare alla forza e non fa lavoro), e la forza radiale è −GMmr2-\frac{GMm}{r^2} (meno perché punta verso il centro, cioè verso rr decrescente):

WA→B=∫rArB(−GMmr2)dr=[GMmr]rArB=GMmrB−GMmrAW_{A \to B} = \int_{r_A}^{r_B} \left(-\frac{GMm}{r^2}\right) dr = \left[\frac{GMm}{r}\right]_{r_A}^{r_B} = \frac{GMm}{r_B} - \frac{GMm}{r_A}

Confrontando con W=U(rA)−U(rB)W = U(r_A) - U(r_B):

Formula (energia potenziale gravitazionale). U(r)=−GMmr\boxed{U(r) = -\frac{GMm}{r}}

avendo scelto la costante additiva in modo che U=0U = 0 a distanza infinita (dove la forza è nulla). Con questa scelta l'energia potenziale gravitazionale è sempre negativa, e aumenta (verso zero) allontanandosi dal pianeta.

Esempio. Un corpo di 11 kg sulla superficie terrestre: U=−GMmR=−6,25⋅107U = -\frac{GMm}{R} = -6{,}25\cdot10^{7} J (zero all'infinito).

Perché negativa. Lo zero è all'infinito, e per portare un corpo dalla distanza rr all'infinito bisogna fornire energia (contro l'attrazione). Quindi a distanza finita il corpo ha meno energia che all'infinito: U<0U < 0. Il segno è una convenzione; quello che conta fisicamente sono le differenze di UU.

Grafico interattivo: Energia potenziale gravitazionale U(r) in unità di GMm/R, con la distanza r misurata in raggi del pianeta (in ascissa r/R, da 1 = superficie). Negativa, tende a 0 all'infinito

Il legame con mghmgh

Vicino alla superficie si usa U=mghU = mgh. Le due espressioni sono coerenti: tra la superficie (r=Rr = R) e la quota hh (r=R+hr = R + h),

ΔU=GMm(1R−1R+h)=GMm hR(R+h)≈GMmR2 h=mghse h≪R\Delta U = GMm\left(\frac1R - \frac{1}{R + h}\right) = \frac{GMm\,h}{R(R + h)} \approx \frac{GMm}{R^2}\,h = mgh \qquad \text{se } h \ll R

usando g=GMR2g = \frac{GM}{R^2}. Per quote piccole rispetto al raggio mghmgh è un'ottima approssimazione; a quote grandi la sovrastima. Esempio: portare 10001000 kg a 400400 km di quota richiede ΔU=3,69×109\Delta U = 3{,}69 \times 10^9 J con la formula esatta, mentre mgh=3,92×109mgh = 3{,}92 \times 10^9 J (errore del 6%6\%).

Energia meccanica e velocità di fuga

L'energia meccanica di un corpo nel campo di un pianeta è

Formula (energia meccanica nel campo gravitazionale). E=12mv2−GMmrE = \tfrac12 m v^2 - \frac{GMm}{r}

e si conserva (se agisce solo la gravità).

Esempio. Satellite di 100100 kg lanciato dalla superficie con v=10v = 10 km/s: E=5⋅109−6,25⋅109=−1,25⋅109E = 5\cdot10^9 - 6{,}25\cdot10^{9} = -1{,}25\cdot10^{9} J, negativa, quindi resta legato alla Terra.

Velocità di fuga. È la minima velocità con cui un corpo, lanciato dalla superficie, si allontana indefinitamente senza ricadere. "Arrivare all'infinito" con il minimo di energia significa arrivarci con velocità nulla, cioè con E=0+0=0E = 0 + 0 = 0. Conservando l'energia tra la superficie e l'infinito:

Formula (velocità di fuga). 12mvf2−GMmR=0⟹vf=2GMR=2gR\tfrac12 m v_f^2 - \frac{GMm}{R} = 0 \quad \Longrightarrow \quad \boxed{v_f = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = \sqrt{2 g R}}

Esempio. Terra: vf=2⋅9,81⋅6,371⋅106=11,2v_f = \sqrt{2\cdot9{,}81\cdot6{,}371\cdot10^6} = 11{,}2 km/s.

Non dipende dalla massa del corpo né dalla direzione del lancio (purché non punti contro il pianeta). Per la Terra vf=11,2v_f = 11{,}2 km/s, per la Luna 2,372{,}37 km/s: è molto più facile ripartire dalla Luna, ed è per questo che la Luna non ha atmosfera (le molecole di gas raggiungono facilmente la sua velocità di fuga).

Al contrario, dalla velocità di fuga si ricava il raggio, noto GMGM: R=2GMvf2R = \frac{2GM}{v_f^2} (Esercizio 55 · Apollo 8, massa e raggio della Luna).

Classificazione delle traiettorie di un corpo con energia EE:

energia traiettoria il corpo...
E<0E < 0 ellisse (o cerchio) resta legato al pianeta
E=0E = 0 parabola sfugge con velocità che tende a zero
E>0E > 0 iperbole sfugge con velocità residua all'infinito

Energia delle orbite circolari

Sull'orbita circolare di raggio rr si è visto che v2=GMrv^2 = \frac{GM}{r} (Legge di gravitazione universaleDue masse si attraggono con forza G m1 m2 / r² lungo la congiungente. Da qui l'accelerazione di gravità g = GM/R² e come cambia con la quota, l'uguaglianza tra massa inerziale e gravitazionale, le tre leggi di Keplero e le orbite circolari (v = √(GM/r), T² ∝ r³).Legge di gravitazione universale →). Quindi

Formula (energia di un'orbita circolare). K=12mv2=GMm2rU=−GMmrE=K+U=−GMm2rK = \tfrac12 m v^2 = \frac{GMm}{2r} \qquad U = -\frac{GMm}{r} \qquad \boxed{E = K + U = -\frac{GMm}{2r}}

Esempio. Satellite di 10001000 kg a r=6,77⋅106r = 6{,}77\cdot10^6 m: E=−GMm2r=−2,94⋅1010E = -\frac{GMm}{2r} = -2{,}94\cdot10^{10} J, pari a −K-K.

Relazioni notevoli: K=−EK = -E e U=2EU = 2E. L'energia è negativa (orbita legata) e cresce (verso zero) con il raggio: per passare a un'orbita più alta bisogna fornire energia, anche se poi il satellite va più piano (l'energia cinetica cala, ma la potenziale cresce del doppio).

Per un'orbita ellittica vale la stessa formula con il semiasse maggiore aa al posto di rr: E=−GMm2aE = -\frac{GMm}{2a}.

Orbite ellittiche: apogeo e perigeo

Nell'orbita ellittica la distanza dal centro varia tra un minimo rPr_P (perigeo) e un massimo rAr_A (apogeo). In questi due punti, e solo lì, la velocità è perpendicolare al raggio. Due leggi di conservazione legano i due punti:

  1. momento angolare (la gravità è centrale): L=mvrL = m v r nei punti in cui v⃗⊥r⃗\vec v \perp \vec r, quindi

Formula (apogeo e perigeo: conservazione del momento angolare). mvArA=mvPrP⟹vP=vA rArPm v_A r_A = m v_P r_P \quad \Longrightarrow \quad v_P = v_A\,\frac{r_A}{r_P}

Esempio. Se rA=2rPr_A = 2r_P e vA=2v_A = 2 km/s allora vP=2⋅2=4v_P = 2\cdot2 = 4 km/s: al perigeo il satellite è più veloce. 2. energia meccanica: 12mvA2−GMmrA=12mvP2−GMmrP\tfrac12 m v_A^2 - \frac{GMm}{r_A} = \tfrac12 m v_P^2 - \frac{GMm}{r_P}

Sostituendo la prima nella seconda e semplificando (si divide per rP−rA≠0r_P - r_A \ne 0) si ottiene

vA2=2GM rPrA (rA+rP)e quindirP=rA2GMrAvA2−1v_A^2 = \frac{2GM\,r_P}{r_A\,(r_A + r_P)} \qquad \text{e quindi} \qquad r_P = \frac{r_A}{\dfrac{2GM}{r_A v_A^2} - 1}

Le stesse formule valgono scambiando AA e PP. Non serve ricordarle: negli esercizi si scrivono le due conservazioni e si risolve. Esempi: Esercizio 51 · gravità e orbite intorno alla Luna (da apogeo e velocità si trova il perigeo) e Esercizio 53 · satellite su orbita circolare ed ellittica (dalle due distanze si trova la velocità di lancio).

Grafico interattivo: Orbita ellittica con il pianeta in un fuoco O (unità arbitrarie, come nel potenziale efficace): perigeo r_P = 0,78 e apogeo r_A = 2,55, dove la velocità è perpendicolare al raggio; da m v_A r_A = m v_P r_P segue v_P = v_A r_A/r_P ≈ 3,2 v_A (le frecce hanno lunghezza proporzionale alla velocità)

Controllo di coerenza. Se all'apogeo il satellite avesse esattamente la velocità circolare vA2=GMrAv_A^2 = \frac{GM}{r_A}, la formula darebbe rP=rA2−1=rAr_P = \frac{r_A}{2 - 1} = r_A: orbita circolare ✓. Con velocità minore rP<rAr_P < r_A (il satellite "cade" verso il pianeta); con velocità maggiore il punto di partenza diventa invece il perigeo.

Potenziale efficace

Per capire tutto il moto radiale si usa un trucco: per una forza centrale LL è costante, e l'energia cinetica si divide in parte radiale e parte tangenziale, 12mv2=12mr˙2+L22mr2\frac12 m v^2 = \frac12 m \dot r^2 + \frac{L^2}{2 m r^2}. Quindi

E=12mr˙2+L22mr2−GMmr⏟Ueff(r)E = \tfrac12 m \dot r^2 + \underbrace{\frac{L^2}{2 m r^2} - \frac{GMm}{r}}_{U_{eff}(r)}

Il moto radiale è come quello di un punto su una retta con energia potenziale UeffU_{eff}. Il termine L22mr2\frac{L^2}{2mr^2} (barriera centrifuga) impedisce al corpo di cadere sul centro. Il corpo può stare solo dove E≥UeffE \ge U_{eff}: se EE è uguale al minimo di UeffU_{eff} il raggio è fisso (orbita circolare); se EE è un po' più alta, rr oscilla tra due valori, perigeo e apogeo (ellisse); se E≥0E \ge 0 il corpo arriva all'infinito.

Grafico interattivo: Potenziale efficace U_eff = −1/r + 0,6/r² (unità arbitrarie, r in ascissa). Con E = −0,3 il raggio oscilla tra perigeo (r ≈ 0,78) e apogeo (r ≈ 2,55); il minimo (E ≈ −0,42, in r = 1,2) è l'orbita circolare

Campo e potenziale gravitazionale

Si può descrivere la gravità prodotta da una massa MM senza riferirsi al corpo che la subisce, dividendo per la sua massa mm:

  • campo gravitazionale: G⃗(r⃗)=F⃗m=−GMr2 r^\vec G(\vec r) = \frac{\vec F}{m} = -\frac{GM}{r^2}\,\hat r, misurato in N/kg == m/s². È l'accelerazione che subirebbe qualunque corpo in quel punto: sulla superficie della Terra il suo modulo è gg;
  • potenziale gravitazionale: V(r)=Um=−GMrV(r) = \frac{U}{m} = -\frac{GM}{r}, misurato in J/kg. Il lavoro della gravità su un corpo di massa mm che va da AA a BB è W=m (VA−VB)W = m\,(V_A - V_B).

L'idea è che la massa MM modifica lo spazio intorno a sé creando un campo, e un corpo posto in un punto risente del campo in quel punto. Per più masse i campi (e i potenziali) si sommano. È lo stesso schema che si userà per il campo elettrico in Fisica 2.

Riassunto

grandezza formula
energia potenziale U=−GMmrU = -\frac{GMm}{r} (zero all'infinito)
vicino al suolo ΔU≈mgh\Delta U \approx mgh
velocità di fuga vf=2GM/Rv_f = \sqrt{2GM/R}
orbita circolare E=−GMm2rE = -\frac{GMm}{2r}, K=−EK = -E, U=2EU = 2E
orbita ellittica E=−GMm2aE = -\frac{GMm}{2a}; vArA=vPrPv_A r_A = v_P r_P
campo e potenziale G=GMr2G = \frac{GM}{r^2}, V=−GMrV = -\frac{GM}{r}

Errori comuni

  • Usare mghmgh per quote paragonabili al raggio del pianeta (orbite, velocità di fuga).
  • Dimenticare il segno meno di UU: nella conservazione dell'energia sbagliarlo cambia completamente il risultato.
  • Scrivere L=mvrL = m v r in un punto qualsiasi dell'ellisse: vale così solo dove v⃗⊥r⃗\vec v \perp \vec r (apogeo e perigeo); altrove L=mvrsin⁡αL = m v r \sin\alpha.
  • Confondere distanza dal centro e quota: rAr_A, rPr_P sono distanze dal centro.

Versione ripasso

L'energia potenziale gravitazionale

La forza gravitazionale è centrale e conservativaIl lavoro dipende solo dagli estremi del percorso. (Forze conservative ed energia potenzialeUna forza è conservativa se il suo lavoro dipende solo dalla posizione iniziale e finale (non dal percorso). Allora esiste un'energia potenziale U con W = −ΔU e F = −dU/dx: peso mgy, molla k(Δl)²/2. L'attrito non è conservativo. I minimi di U sono equilibri stabili.Forze conservative ed energia potenziale →, Legge di gravitazione universaleDue masse si attraggono con forza G m1 m2 / r² lungo la congiungente. Da qui l'accelerazione di gravità g = GM/R² e come cambia con la quota, l'uguaglianza tra massa inerziale e gravitazionale, le tre leggi di Keplero e le orbite circolari (v = √(GM/r), T² ∝ r³).Legge di gravitazione universale →). Il lavoro da rAr_A a rBr_B è ∫rArB(−GMmr2)dr=GMmrB−GMmrA=U(rA)−U(rB)\int_{r_A}^{r_B} \left(-\frac{GMm}{r^2}\right) dr = \frac{GMm}{r_B} - \frac{GMm}{r_A} = U(r_A) - U(r_B).

  • Formula: U(r)=−GMmrU(r) = -\frac{GMm}{r}
  • Convenzione: U=0U = 0 a distanza infinita. L'energia è sempre negativa perché per allontanare un corpo all'infinito occorre compiere lavoro contro l'attrazione.
  • Vicino al suolo: ΔU=GMm hR(R+h)≈mgh\Delta U = \frac{GMm\,h}{R(R+h)} \approx mgh per h≪Rh \ll R, usando g=GMR2g = \frac{GM}{R^2}. Per 10001000 kg a 400400 km di quota: 3,69×1093{,}69 \times 10^9 J (esatto) contro mgh=3,92×109mgh = 3{,}92 \times 10^9 J, errore del 6%6\%.

Energia meccanica e velocità di fuga

Energia meccanica totale: E=12mv2−GMmrE = \tfrac12 m v^2 - \frac{GMm}{r}.

Orbite circolari ed ellittiche

  • Circolari (con v2=GM/rv^2 = GM/r): E=−GMm2r,K=−E,U=2EE = -\frac{GMm}{2r}, \quad K = -E, \quad U = 2E Per salire a un'orbita più alta serve energia, anche se il satellite va più piano.

  • Ellittiche: L'energia dipende dal semiasse maggioreMetà della somma tra distanza di perigeo e apogeo: E=−GMm2aE = -\frac{GMm}{2a}

  • Apogeo e perigeo: Nei punti in cui v⃗⊥r⃗\vec{v} \perp \vec{r}, si conservano:

    1. Momento angolare: L=mvArA=mvPrPL = m v_A r_A = m v_P r_P
    2. Energia meccanica: EA=EPE_A = E_P, cioè 12mvA2−GMmrA=12mvP2−GMmrP\tfrac12 m v_A^2 - \frac{GMm}{r_A} = \tfrac12 m v_P^2 - \frac{GMm}{r_P}

    Dalle due si ottiene rP=rA2GMrAvA2−1r_P = \dfrac{r_A}{\dfrac{2GM}{r_A v_A^2} - 1}; se vA2=GM/rAv_A^2 = GM/r_A risulta rP=rAr_P = r_A (orbita circolare). Negli esercizi si scrivono le due conservazioni e si risolve (Esercizio 51 · gravità e orbite intorno alla Luna, Esercizio 53 · satellite su orbita circolare ed ellittica).

Potenziale efficace

Il moto radiale è descritto da: E=12mr˙2+Ueff(r),Ueff(r)=L22mr2−GMmrE = \tfrac12 m \dot r^2 + U_{eff}(r), \quad U_{eff}(r) = \frac{L^2}{2 m r^2} - \frac{GMm}{r} Il termine L22mr2\frac{L^2}{2mr^2} (barriera centrifuga) impedisce la caduta sul centro. Il raggio varia tra i punti in cui E=UeffE = U_{eff}.

Campo e potenziale gravitazionale

  • Campo gravitazionale: G⃗(r⃗)=F⃗m=−GMr2 r^\vec G(\vec r) = \frac{\vec F}{m} = -\frac{GM}{r^2}\,\hat r [N/kg].
  • Potenziale gravitazionale: V(r)=Um=−GMrV(r) = \frac{U}{m} = -\frac{GM}{r} [J/kg].

Errori comuni

  • Usare mghmgh per quote elevate (non trascurabili rispetto a RR).
  • Dimenticare il segno meno in UU o EE.
  • Usare L=mvrL = mvr in punti generici dell'orbita (vale solo a perigeo e apogeo).
  • Scambiare la distanza dal centro (rr) con la quota dal suolo (hh).

Esercizi su questo argomento

Teoria collegata