DA NEWTON A KEPLERO

Note a cura di Roberto Bigoni


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(Nel testo le grandezze vettoriali sono denotate da lettere in grassetto; nelle formule numerate le grandezze vettoriali sono sormontate da una freccetta, il prodotto scalare è indicato con il punto ·   e il prodotto vettoriale è indicato dal segno ×.)


1. Posizione, velocità e accelerazione in coordinate polari piane.

fig001.gif

La posizione di un punto P in un piano è rappresentabile in modo biunivoco scegliendo un sistema di riferimento polare con polo in O e asse polare OX e facendo corrispondere a P un vettore r di modulo uguale alla misura del segmento OP e anomalia θ data dalla misura dell'angolo orientato XOP.

Se con una variazione infinitesima di posizione il punto P si sposta in P', alla nuova posizione corrisponde un nuovo vettore r', rappresentabile come somma vettoriale di r+dr.

dr rappresenta uno spostamento infinitesimo, che a sua volta può essere espresso come somma di due vettori infinitesimi, uno radiale, cioè diretto come OP, di modulo uguale a dr (variazione infinitesima del modulo) e uno tangenziale (perpendicolare a OP) di modulo uguale a r dθ.

Indicando con ur il versore radiale e con uθ il versore tangenziale, si può scrivere

Eqn001.gif

Poiché il vettore velocità è la derivata del vettore posizione rispetto al tempo, risulta

Eqn002.gif

Il primo addendo a secondo membro della (1.2) è il componente radiale della velocità o, più brevemente, la velocità radiale; il secondo addendo è il componente tangenziale della velocità o, più brevemente, la velocità tangenziale.

Con una convenzione introdotta da Newton, si indicano la derivata prima di una grandezza rispetto al tempo sovrapponendo un punto al simbolo della grandezza. Con questa notazione la (1.2) può essere scritta

Eqn003.gif

Spesso inoltre si indica la derivata dell'anomalia θ rispetto al tempo, detta velocità angolare, con il simbolo ω.
Si potrà quindi avere anche la seguente versione della (1.2)

Eqn004.gif

Il quadrato del modulo della velocità risulta

Eqn005.gif

Il vettore accelerazione per definizione è dato dalla derivata del vettore velocità rispetto al tempo:

Eqn006.gif

allora derivando i membri della (1.2.2)

Eqn007.gif

Per ottenere le derivate dei versori radiale e tangenziale è utile rappresentare questi versori in un sistema cartesiano.

fig002.gif

Detti i e j i versori degli assi cartesiani si ha

Eqn008.gif

Derivando le (1.5) rispetto a θ si ha

Eqn009.gif

e ancora

Eqn010.gif

Usando le (1.7) dalla (1.4) si ha

Eqn011.gif

e raccogliendo

Eqn012.gif

Se il modulo della posizione è costante il moto è un moto circolare: con centro nel polo O.
In questo caso la velocità radiale è nulla: la velocità coincide con la velocità tangenziale.

Nel caso di un moto circolare si ha quindi

Eqn013.gif

Se in un moto circolare ω è costante, il moto si dice moto circolare uniforme.

Nel moto circolare uniforme, detto T il periodo, cioè la durata di una rotazione completa,

Eqn014.gif

e l'espressione dell'accelerazione della (1.9) si riduce a

Eqn015.gif

cioè l'accelerazione ha solo la componente radiale, costante, diretta dal punto al polo.

L'accelerazione si dice centripeta.

 


2. Il teorema delle forze vive.

Il lavoro di una forza f che provoca uno spostamento infinitesimo dr del suo punto di applicazione per definizione è

Eqn201.gif

Per il secondo principio della dinamica

Eqn202.gif

Allora dalla (2.1) si ricava

Eqn203.gif

Differenziando il quadrato della velocità si ottiene

Eqn204.gif

L'ultima espressione ottenuta nella (2.3) è quindi

Eqn205.gif

dove si è posto

Eqn206.gif

K è detta energia cinetica.

In definitiva dalla (2.1) si ottiene

Eqn207.gif

ovvero, in forma finita,

Eqn208.gif

 


3. Momento angolare e forze centrali.

Se un corpo (supposto puntiforme) di massa m si muove con velocità v, il suo momento cinetico (detto anche semplicemente momento o anche quantità di moto) è p=mv.

Se il corpo si trova nel punto P di posizione r rispetto al polo O, il suo momento angolare rispetto al polo O è

Eqn301.gif

Derivando entrambi i membri della (3.1) rispetto al tempo si ottiene

Eqn302.gif

Il primo prodotto vettoriale a secondo membro è nullo, poiché la derivata del vettore posizione è il vettore velocità che è parallelo al momento cinetico.

La derivata del momento cinetico rispetto al tempo, per il secondo principio della dinamica

Eqn303.gif

è la forza che agisce sul corpo. In generale quindi

Eqn304.gif

Nella (3.3) il vettore τ, prodotto vettoriale tra posizione e forza, è detto momento della forza.
La (1.3) può essere vista come estensione del secondo principio della dinamica alle grandezze angolari: a f corrisponde τ, a p corrisponde l e τ è la derivata rispetto al tempo di l come f è la derivata rispetto al tempo di p.

Se f è una forza centrale, cioè parallela a r, il suo momento è nullo; è quindi nulla anche la derivata del momento angolare rispetto al tempo, cioè il momento angolare di una forza centrale è costante.

Se un vettore è costante, sono costanti la sua direzione, il suo verso e il suo modulo.

La direzione del momento angolare, che è il prodotto vettoriale di r per p, è perpendicolare al piano di r e p: ciò significa che r e p, durante il movimento del corpo, sono sempre sullo stesso piano.
La traiettoria del movimento è quindi una curva piana che viene percorsa dal corpo sempre con lo stesso senso di rotazione.

In prima approssimazione, cioè trascurando le forze dovute alla presenza degli altri pianeti, la forza di gravitazione universale ipotizzata da Newton agente su un singolo pianeta è una forza centrale diretta dal pianeta verso il Sole,

Eqn305.gif

Tale legge prevede quindi che i pianeti percorrano orbite descritte da curve piane e siano privi di moto retrogrado.

Il modulo di l è rp sinδ dove con δ si indica l'angolo tra i vettori r e p.

p sinδ è quindi la componente tangenziale del momento cinetico, quindi il prodotto della massa per la velocità tangenziale.

La velocità tangenziale è ωr, quindi

Eqn306.gif

ω, a sua volta, è la derivata dell'anomalia θ rispetto al tempo. Allora

Eqn307.gif

r2 può essere interpretato geometricamente come il doppio dell'area dA spazzata dal vettore posizione nel tempo dt

Eqn308.gif

In definitiva

Eqn309.gif

Poiché il secondo membro è costante, è costante anche il primo membro, detto velocità areolare.

Questa è la seconda delle leggi di Keplero, da lui ricavate in base alle osservazioni astronomiche sul moto dei pianeti ed enunciata tradizionalmente così: Il raggio Sole-Pianeta spazza aree uguali in tempi uguali, vale a dire che la velocità areolare è costante: come si è visto questa non è che un'applicazione astronomica del fatto che se un corpo è soggetto ad una forza centrale il suo momento angolare è costante.

 


4. La forza di gravitazione universale è conservativa.

Il lavoro di una forza è, per definizione, il prodotto scalare della forza per lo spostamento.

Per calcolare il lavoro della forza di gravitazione universale relativo ad uno spostamento infinitesimo dr bisogna eseguire il prodotto scalare della forza (3.4) per lo spostamento infinitesimo (1.1)

Eqn401.gif

L'espressione ottenuta è l'opposto del differenziale esatto della funzione

Eqn402.gif

Riferendosi a tale funzione (detta energia potenziale gravitazionale), la (4.1) può essere scritta

Eqn403.gif

Per il teorema della forze vive

Eqn404.gif

Sottraendo membro a membro la (4.3) dalla (4.4)

Eqn405.gif

Quindi un corpo di massa m situato nel campo gravitazionale generato dal corpo di massa M (supposto immobile nel polo O) mantiene costante nel tempo la sua energia totale E, somma della sua energia cinetica e della sua energia potenziale

Eqn406.gif

Per questo motivo si dice che il campo gravitazionale è un campo conservativo.

 


5. Le traiettorie nel campo gravitazionale.

Dalla (4.6) isolando a primo membro il quadrato della velocità si ha

Eqn501.gif

Usando per v2 l'espressione (1.2.3) si ottiene

Eqn502.gif

e poi

Eqn503.gif

Dalla (3.5) si deduce

Eqn504.gif

La (5.3) si riscrive

Eqn505.gif

In definitiva

Eqn506.gif

Usando ancora la (3.5)

Eqn507.gif

si ha

Eqn508.gif

Dividendo membro a membro la (5.6) per la (5.5) e separando le variabili

Eqn509.gif

Per semplificare l'espressione del differenziale a secondo membro, conviene porre

Eqn510.gif

e ancora

Eqn511.gif

Con queste sostituzioni la (5.7) diviene

Eqn512.gif

L'integrazione del differenziale a secondo membro viene facilitata scrivendo il radicando come differenza di quadrati

Eqn513.gif

Integrando

Eqn514.gif

Eqn515.gif

Eqn516.gif

Eqn517.gif

Recuperando la sostituzione per s:

Eqn518.gif

Eqn519.gif

Eqn520.gif

Se si impone che r sia massimo per θ=0, C= π e quindi

Eqn521.gif

La (5.17) è l'equazione polare di una conica di parametro p ed eccentricità e dati da

Eqn522.gif

Recuperando le sostituzioni per a e b si ha

Eqn523.gif

In particolare, esaminando l'espressione dell'eccentricità, si vede che

Questo risultato è più generale di quello enunciato dalla prima legge di Keplero: 'i pianeti percorrono orbite ellittiche di cui il Sole occupa un fuoco', perché prevede che i corpi celesti nel campo gravitazionale del Sole o di un altro astro percorrano anche orbite paraboliche o iperboliche.

 


6. La terza legge di Keplero.

Per semplicità ci si limita alla considerazione di orbite circolari.

Perché l'eccentricità risulti nulla e l'orbita risulti una circonferenza bisogna che

Eqn601.gif

Se l'orbita è una circonferenza, la forza gravitazionale è una forza centripeta esprimibile con la (1.12)

Eqn602.gif

Semplificando:

Eqn603.gif

Eqn604.gif

Esprimendo la velocità con la (1.10)

Eqn605.gif

L'energia totale E=U+K risulta

Eqn606.gif

Uguagliando le espressioni di E della (6.1) e della (6.6)

Eqn607.gif

Semplificando

Eqn608.gif

Esprimendo l con la (3.5)

Eqn609.gif

Semplificando

Eqn610.gif

Esprimendo ω con la (1.11)

Eqn611.gif

In definitiva

Eqn612.gif

La (6.12) esprime la terza legge di Keplero: in un'orbita planetaria il cubo della distanza (media) del pianeta dal Sole è direttamente proporzionale al quadrato del periodo di rotazione.

 


7. L'equazione di Keplero.

Per poter calcolare la posizione di un pianeta in funzione del tempo, facendo riferimento alla figura seguente, si può procedere nel seguente modo.

fig003.gif

Si assume come istante iniziale il momento in cui il pianeta si trova nel punto A di massima distanza dal sole (afelio) a sua volta situato nel fuoco F dell'orbita e si indica con P la posizione del pianeta in un successivo istante t.

Si traccia la circonferenza con centro O coincidente con quello dell'orbita e raggio a uguale al semiasse maggiore a dell'orbita ellittica il cui semiasse minore è b e la cui eccentricità è e; si traccia poi la perpendicolare da P all'asse maggiore, che interseca la circonferenza nel punto Q e l'asse nel punto X.

Si indichi con ρ la distanza FP, con θ la misura dell'angolo AFP (anomalia) e con ε (anomalia eccentrica) la misura dell'angolo AOQ.

Nel sistema cartesiano di origine O e assi coincidenti con gli assi dell'ellisse la distanza FO ha misura ae e l'ascissa x è comune ai due punti P e Q.

L'equazione della circonferenza risulta Eqn701.gif quindi per l'ordinata yQ del punto Q della circonferenza si ha Eqn702.gif.
Nello stesso sistema di riferimento l'equazione dell'ellisse risulta Eqn703.gif e quindi per l'ordinata yP del punto P dell'ellisse si ha Eqn704.gif.

Considerando le lunghezze dei segmenti PX e QX, si ha Eqn705.gif.
Questo implica che:

Per calcolare l'area della zona XAQ si fa la differenza tra l'area del settore circolare OAQ e quella del triangolo rettangolo OXQ. Si ottiene

Eqn709.gif

e quindi

Eqn710.gif

L'area di tutto il settore ellittico FAP (a fondo scuro nella figura) si ottiene aggiungendo all'area della zona XAP l'area del triangolo rettangolo FXP:

Eqn711.gif

Questa è l'area 'spazzata' dal raggio vettore FP nel tempo t. Per la seconda legge di Keplero, il rapporto tra quest'area e il tempo t è costante; in particolare è uguale al rapporto tra tutta l'area dell'ellisse e l'intero periodo T di rivoluzione.

Eqn712.gif

Indicando con ω la velocità angolare media Eqn713.gif si ha infine

Eqn714.gif

Questa equazione, nota come equazione di Keplero, dati il periodo di rivoluzione T di un pianeta (o satellite) e l'eccentricità e dell'orbita, permette di ricavare (non con metodi analitici, ma con metodi di approssimazione successiva) l'anomalia eccentrica ε.

Calcolata l'anomalia eccentrica ε, si può risalire all'anomalia θ nel seguente modo

Conoscendo θ, dall'equazione polare dell'ellisse si può ottenere il raggio vettore ρ.

 


ultima revisione: Giugno 2020