Fisica campo gravitazionale

IL CAMPO GRAVITAZIONALE 

Immaginiamo di essere degli esploratori spaziali che viaggiano su una astronave la cui massa, compresa la nostra, la indicheremo con m. Come facciamo a renderci conto di essere in prossimità di un corpo celeste di massa M ?  Perché sentiamo l’effetto della forza attrattiva gravitazionale
Fg = GmM/R2. Per realizzare una mappa che segnali la presenza del corpo celeste e delle sue proprietà gravitazionali dobbiamo sondare tutto lo spazio attorno al corpo celeste determinando in ogni punto la Fg. Otterremo così una rappresentazione dei dintorni del corpo celeste di questo tipo (vedi figura 1)

I vettori disegnati che rappresentano le Fg in ogni punto dipendono dalla massa m dell’astronave e il loro modulo cioè la loro lunghezza varia se modifichiamo tale massa. Una tale rappresentazione ha il difetto di dipendere da chi sta esplorando lo spazio circostante al corpo celeste. E’ come avere una cartina geografica di una certa zona i cui particolari dipendono da chi la sta consultando! Tuttavia se dividiamo Fg per m i nuovi vettori così ottenuti non dipendono più dall’astronave utilizzata per esplorare lo spazio ma solo dai punti dello spazio e dalla massa del pianeta. Uno qualunque di tale vettori, che chiamiamo g, è quindi definito  da:

Il vettore ottenuto si chiama intensità del campo gravitazionale o più semplicemente campo gravitazionale e per la (1) le sue dimensioni sono quelle di una accelerazione.

Pertanto il vettore intensità del campo gravitazionale altro non è che l’accelerazione di gravità ! Allora intorno al corpo celeste possiamo rappresentare lo spazio nel seguente modo (vedi fig.2)

Ora non abbiamo indicato la nostra astronave perché nella definizione di g non vi è alcun riferimento alla massa m. Quindi g è effettivamente una grandezza caratteristica soltanto della massa M che, generando il campo, ha modificato lo spazio circostante. Invece il campo gravitazionale nella nostra aula sarà uniforme, cioè i vettori g sono tutti uguali, perché le  dimensioni dell’aula sono troppo piccole rispetto al raggio della Terra (vedi fig.3).

Es : Determiniamo il campo gravitazionale sullo Shuttle che orbita attorno alla Terra ad una distanza di 1500 Km dalla sua superficie (RT=6300 Km, MT=6x1024 Km)
Es: Determinare il campo gravitazionale sulla superficie di Mercurio sapendo che la sua massa è 0.055 volte e il suo raggio vale R = 2400 Km.   

Linee di forza. Invece di indicare un’infinità di vettori del campo gravitazionale è più conveniente tracciare delle linee che staranno ad indicare la direzione della forza attrattiva del corpo celeste per posizioni diverse del corpo di prova. La freccia di ogni linea mostra che la forza è diretta verso il Sole il che significa che la forza è attrattiva. Diremo che queste sono le linee di forza del campo gravitazionale.Una possibile definizione di tali linee è la seguente:

def:  Si chiamano linee di forza quelle linee la cui tangente in ogni punto ha la stessa direzione del campo gravitazionale in quel punto.

Tali linee sono più dense vicino al corpo celeste e lo divengono sempre meno, con la maggiore lontananza
Quindi le linee servono ad un doppio scopo. Anzitutto danno la direzione della forza agente su di un corpo situato in prossimità del corpo celeste; inoltre la loro densità è una misura dell’intensità di tale forza  e quindi l’intensità del campo. Abbiamo così ottenuto una chiara rappresentazione del campo (vedi fig.4).
IL CAMPO ELETTRICO

Analogamente a quanto abbiamo fatto con il caso del campo gravitazionale supponiamo di voler creare una mappa della regione di spazio attorno ad una o più cariche elettriche Q che supponiamo positiva. La presenza di questa carica può essere messa in evidenza osservando gli effetti elettrici che tale carica provoca su una carica q, ad esempio negativa, piccola rispetto a Q e posta ad una distanza R . Sperimentalmente si osserva che la carica Q ha modificato le proprietà fisiche dello spazio circostante perché la carica q risulta soggetta all'azione di una forza elettrica Fe=kQq/R2. Diremo che attorno alla carica Q si  è creato un campo elettrico; Q viene chiamata carica sorgente del campo e q è la carica di prova o esploratrice. Per realizzare la mappa che segnali la presenza della carica Q e delle sue proprietà elettriche sondiamo tutto lo spazio circostante determinando in ogni punto la Fe ( ad esempio per mezzo di un dinamometro). Otterremo così una rappresentazione dei dintorni di Q di questo tipo (vedi figura 1)

Questa rappresentazione ha il difetto che dipende dalla carica esploratrice q. E’ come avere una cartina geografica di una certa zona della Terra i cui particolari dipendono da chi la sta consultando! Tuttavia se dividiamo Fe per q i nuovi vettori così ottenuti non dipendono più dalla carica q utilizzata per esplorare lo spazio ma solo dai punti dello spazio. Tali vettori sono così definiti:

def 1:  Si chiama vettore intensità del campo elettrico Eil rapporto tra il vettore forza elettrica Fe che agisce sulla carica q e la carica stessa.

Si ottiene pertanto la seguente mappa (vedi figura 2)

Oss1: L'unità di misura di E nel S.I.è il [N/C]

Oss2: Se nella (1) ad Fe sostituiamo la sua espressione otteniamo:

La (2) ci mostra che il campo elettrico contiene solo grandezze dipendenti dalla carica Q che lo genera e dal mezzo in cui questa si trova, non grandezze caratteristiche della carica esploratrice q. Pertanto il vettore E esiste e quindi può essere rappresentato in un punto P dello spazio indipendentemente dal fatto che in P si trovi la carica esploratrice q.

Oss3: La direzione del vettore E coincide con quella di Fe, ma il verso dipende dal segno della carica q.

Oss1: Le linee di forza generate da una carica elettrica isolata sono radiali cioè sono semirette uscenti o entranti nella carica sorgente a seconda del suo segno .

Oss2: Se il campo elettrico è generato da due o più cariche elettriche, le linee di forza sono in generale linee curve che partono dalle cariche positive e terminano sulle cariche negative