Cos’è la forza di gravità?

La prima risposta che ogni fisico da è quella che suggerisce la meccanica classica, quindi la definizione che Newton ha dato a tale forza:

la forza di gravità è una forza di attrazione tra due due corpi che è proporzionale al prodotto delle masse in gioco e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i rispettivi centri di massa, il tutto secondo la relazione (generale):

dove     è la costante di gravitazione universale.

Da sottolineare è il fatto che la “forza di gravità” non è una forza nel senso stretto del termine, ma rappresenta invece l’accelerazione alla quale è soggetto un qualsiasi corpo che si trova in prossimità di un oggetto molto massivo.

Per definizione (quella data poco sopra), ogni corpo dotato di massa esercita gravità su un altro corpo che gli si trova vicino, ma quanto detto è soggetto a limitazioni:

         due atomi che si trovano vicini esercitano gravità l’uno sull’altro, ma tale forza in queste condizioni (quindi con masse in gioco e dimensioni molto ridotte) non è predominante perché, in questo caso, la forza elettromagnetica la fa da padrone;

         due persone si trovano una di fianco all’altra, come nel caso degli atomi, esercitano gravità tra di loro, ma di certo non c’è nessuna forza apprezzabile che costringa le due persone ad attrarsi (parliamo di fisica, non di altro).

 In altre parole, la gravità diventa una forza dominante solo nel caso in cui almeno una delle masse in gioco è molto molto molto grande.

Ad esempio, una persona che si trova sulla superficie terrestre:

in questo caso le masse in gioco sono la massa della Terra (5.97*10^24 kg) e la massa di un uomo (all’incirca 80 kg).

Un uomo sulla superficie terrestre (come tutto il resto, d’altronde) è soggetto alla forza di gravità che il pianeta esercita su di esso, quindi una forza di attrazione che ha come direzione quella descritta tra il corpo e il centro della terra, con verso in direzione del centro della Terra e intensità pari all’eccelerazione di gravità al livello del mare, che vale g= 9.80  m/s2 .

Nel caso di un astronauta che si trova in orbita attorno alla Terra, l’accelerazione gravitazionale alla quale è soggetto è minore rispetto a quella che si trova a terra1 , quindi l’astronauta si trova in orbita attorno alla Terra e nel contempo “cade” verso di essa perché ancora soggetto alla gravità esercitata dal pianeta.

Quindi, come un uomo è “confinato” a passeggiare sulla superficie terrestre, un altro corpo celeste, come ad esempio la Luna, è costretta dalla forza di gravità a ruotare attorno alla Terra.

Stessa cosa vale per il Sistema Solare dove il Sole, con la sua massa, tiene in orbita attorno a se i pianeti.

Detto ciò, chiunque è portato a pensare che la forza di gravità sia una forza molto forte, ma ciò è sostanzialmente errato perché, sempre secondo l’esperienza, siamo capaci di vincerla sollevando un oggetto da terra, costruendo grattacieli che non cadano sul loro stesso peso e lanciando in orbita gli Space Shuttle (oramai andati in pensione) e i satelliti.

Facendo un paragone, la forza di gravità è svariati ordini di grandezza MINORE della forza elettromagnetica (se ciò non fosse vero, ogni volta che un oggetto cade, questo scaverebbe un lunghissimo tunnel verso il centro della Terra).

Dagli studi sulla gravità e sui moti dei pianeti (studi derivanti da Newton, Galilei e Keplero) si arriva alla definizione di gravità data da Einstein nella sua Teoria della Relatività Generale:

la gravità non è una forza ma è la proprietà della materia di deformare lo spazio-tempo: l’interazione gravitazionale è una conseguenza della curvatura del continuo spazio-temporale dovuta alla presenza di corpi massivi e tale interazione viaggia nello spazio tramite delle vere e proprie onde gravitazionali che si propagano alla velocità della luce.

In pratica, considerando il continuo spazio-temporale come un tessuto tenuto in tensione dalle estremità, se appoggiamo una biglia o una pallina su di esso, vediamo che il tessuto si deforma sotto il peso della pallina.

In maniera analoga ciò accade su grande scala nell’universo.

Sempre secondo la relatività generale, la deformazione dello spazio-tempo è avvertita anche dalle particelle prive di massa come i fotoni (effetto Lente Gravitazionale).

Infine, ma non meno importante, al contrario dell’interazione elettromagnetica e delle forze nucleari forti e deboli, non si riesce a formulare una teoria quantistica della gravitazione e ciò la rende l’anello mancante nel quadro disegnato dal Modello Standard.

 

 

1 L’accelerazione gravitazionale che la Terra esercita varia, oltre che in base alla quota alla quale ci si trova, alla latitudine;

Considerando la latitudine, si deve tener conto della forza centrifuga che il pianeta genera nel suo movimento e l’influsso che dà al peso dei corpi: questo infatti è il risultato tra la forza di attrazione e la forza centrifuga.

Tale forza è massima all’equatore e diventa praticamente nulla ai poli: di conseguenza, il peso di un corpo all’equatore sarà minore del peso del medesimo corpo misurato ai poli.

Il secondo fattore di cui tener conto è la forma distorta della Terra: la superficie terrestre all’equatore è più distante dal centro del pianeta che ai poli quindi l’accelerazione varia da g = 9,7799 m/s² all’equatore a g = 9,83217 m/s² ai poli.