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La gravitazione universale unifica in un'unica legge il moto dei pianeti, osservato e descritto da Keplero, e la caduta dei gravi sulla Terra: è la grande sintesi newtoniana. In questo appunto si studiano le tre leggi di Keplero, la legge di gravitazione universale di Newton con la costante G, il concetto di campo gravitazionale, l'energia potenziale gravitazionale e il moto dei satelliti, fino alla velocità orbitale e alla velocità di fuga. Tutto l'argomento rientra a pieno titolo nell'Esame di Stato del secondo ciclo.
4 sezioni~20 min di lettura3 competenzeLivello Base 1 · Standard 2 · Approfondimento 1Verificato · 07/2026
livello base
In tutti gli indirizzi liceali si richiede di enunciare le leggi di Keplero e la legge di gravitazione universale, di calcolare forze e periodi orbitali e di interpretare qualitativamente campo ed energia potenziale gravitazionale.
livello avanzato
Nel Liceo Scientifico (e nell'opzione Scienze Applicate) si chiede in più la deduzione della terza legge di Keplero dal modello newtoniano per orbite circolari, l'uso quantitativo dell'energia meccanica per ricavare velocità orbitale e di fuga e la discussione degli stati legati e non legati.
Profondità di lettura: Approfondimento
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Orbita ellittica e legge delle aree
III legge di Keplero
Per tutti i corpi che orbitano attorno allo stesso centro, il rapporto fra il quadrato del periodo T e il cubo del semiasse maggiore a e lo stesso. Permette di confrontare due orbite.
Confronto fra due orbite
Forma operativa usata nei problemi: noto il periodo e il semiasse di un corpo, si ricava l'incognita dell'altro.
Giove compie una rivoluzione attorno al Sole in circa 11.9 anni. Sapendo che la Terra ha periodo 1 anno e semiasse maggiore 1 UA, determina il semiasse maggiore dell'orbita di Giove in unità astronomiche.
Terra e Giove orbitano attorno allo stesso centro (il Sole), quindi vale T_T^2/a_T^3 = T_G^2/a_G^3.
Risolvendo rispetto ad a_G si ottiene a_G = a_T (T_G/T_T)^{2/3}.
Con a_T = 1 UA, T_T = 1 anno e T_G = 11.9 anni: a_G = 1 \cdot (11.9)^{2/3}.
11.9^{2/3} = (11.9^2)^{1/3} = (141.6)^{1/3} \approx 5.21.
Risultato: Il semiasse maggiore dell'orbita di Giove vale circa 5.2 UA, in ottimo accordo con il valore reale (circa 5.20 UA).
Errori frequenti
Approfondimento
La seconda legge di Keplero è la conservazione del momento angolare in azione. L'area spazzata dal raggio vettore in un tempo «dt» è «dA = ½ r²·dθ», quindi la velocità areale è «dA/dt = ½ r²·(dθ/dt) = L/(2m)», dove «L = m r² ω» è il momento angolare del pianeta: poiché la forza gravitazionale è centrale (sempre diretta verso il Sole) il suo momento rispetto al Sole è nullo, «L» si conserva e la velocità areale resta costante. Da qui segue anche il legame «r_p·v_p = r_a·v_a» fra perielio e afelio (dove la velocità è, rispettivamente, massima e minima). Per un'orbita circolare la terza legge si dimostra in una riga: uguagliando «GMm/r² = m ω² r» con «ω = 2π/T» si ottiene «T² = (4π²/GM)·r³», che identifica la costante di Keplero con «4π²/(GM)». La geometria dell'ellisse completa il quadro: «r_perielio = a(1 − e)» e «r_afelio = a(1 + e)», dove «e» è l'eccentricità, nulla per la circonferenza.
Ripasso attivo
Marte ha un periodo di rivoluzione attorno al Sole di circa 1.88 anni. Utilizzando la terza legge di Keplero e prendendo come unità la distanza Terra-Sole (1 UA), determina il semiasse maggiore dell'orbita di Marte espresso in unità astronomiche.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Intensità del campo gravitazionale in funzione della distanza
Legge di gravitazione universale
Modulo della forza attrattiva tra due masse puntiformi m1 e m2 a distanza r; G e la costante di gravitazione universale.
Campo gravitazionale
Intensita del campo gravitazionale generato dalla massa M alla distanza r dal suo centro; alla superficie (r = R) coincide con l'accelerazione di gravita.
Verifica, a partire dalla legge di gravitazione universale, che l'accelerazione di gravità alla superficie terrestre vale circa 9.8 m/s². Usa M = 5.97·10²⁴ kg, R = 6.37·10⁶ m e G = 6.67·10⁻¹¹ N·m²/kg².
Per una massa m sulla superficie, P = mg deve coincidere con la forza gravitazionale G Mm/R^2; la massa m si semplifica.
Semplificando m si ottiene la formula del campo alla superficie, indipendente dalla massa che cade.
g = (6.67\cdot10^{-11} \cdot 5.97\cdot10^{24}) / (6.37\cdot10^{6})^2.
Il numeratore vale circa 3.98\cdot10^{14}; il denominatore circa 4.06\cdot10^{13}; il rapporto vale circa 9.8.
Risultato: Si ottiene g ≈ 9.8 m/s², in accordo con il valore misurato: il fatto che g non dipenda dalla massa del corpo che cade spiega la legge galileiana di caduta dei gravi.
Errori frequenti
Approfondimento
Che un corpo a simmetria sferica attragga come se tutta la massa fosse concentrata nel centro non è ovvio: è il «teorema del guscio» dimostrato da Newton, secondo cui un guscio sferico omogeneo attrae un punto esterno come una massa puntiforme posta nel centro e non esercita ALCUNA forza su un punto interno (il campo dentro un guscio è nullo). Ne segue che, dentro un pianeta omogeneo, il campo cresce linearmente dal centro alla superficie, mentre fuori decresce come «1/r²». Il campo è un vettore «g⃗ = −(GM/r²)·r̂» diretto verso la sorgente, rappresentato da linee di campo radiali entranti la cui densità misura l'intensità. Con la quota il campo diminuisce come «g(h) = GM/(R + h)²»: a 400 km, la quota tipica della Stazione Spaziale Internazionale, «g» vale ancora circa il 89% del valore al suolo. Gli astronauti in orbita non sono «senza gravità»: sono in caduta libera perpetua attorno alla Terra, e l'assenza di peso è la stessa che si prova in un ascensore in caduta.
Ripasso attivo
Calcola l'accelerazione di gravità alla superficie della Luna, sapendo che la sua massa vale circa 7.35·10²² kg e il suo raggio circa 1.74·10⁶ m. Confronta il risultato con quello terrestre.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Satellite in orbita circolare: gravità come forza centripeta
Buca di energia potenziale gravitazionale
Energia potenziale gravitazionale
Energia potenziale di una massa m a distanza r dalla massa M, con lo zero scelto all'infinito; e negativa perche il sistema e legato.
Velocità orbitale (orbita circolare)
Si ottiene uguagliando la forza gravitazionale alla forza centripeta; dipende solo da M e da r, non dalla massa del satellite.
Velocità di fuga
Velocita minima per sfuggire all'attrazione partendo dalla superficie (raggio R), ottenuta imponendo energia meccanica totale nulla; per la Terra vale circa 11.2 km/s.
III legge di Keplero (forma newtoniana)
Dedotta dal modello del satellite circolare: la costante di Keplero T^2/r^3 vale 4 pi greco al quadrato diviso GM e dipende solo dal corpo centrale.
Determina la velocità di fuga dalla superficie terrestre. Usa M = 5.97·10²⁴ kg, R = 6.37·10⁶ m e G = 6.67·10⁻¹¹ N·m²/kg², e verifica che vale circa 11 km/s.
Il corpo sfugge se arriva all'infinito con velocita nulla, cioe con energia meccanica totale uguale a zero: (1/2)m v_f^2 + (-GMm/R) = 0.
Semplificando m e risolvendo rispetto a v_f si ottiene la formula generale, indipendente dalla massa del corpo lanciato.
v_f = \sqrt{(2 \cdot 6.67\cdot10^{-11} \cdot 5.97\cdot10^{24}) / (6.37\cdot10^{6})}.
L'argomento della radice vale circa 1.25\cdot10^{8} m^2/s^2; la radice e circa 1.12\cdot10^{4} m/s.
Risultato: La velocità di fuga dalla Terra vale circa 11.2 km/s: è la stessa per qualunque massa, perché m si semplifica nel bilancio energetico.
Errori frequenti
Approfondimento
L'energia potenziale «U = −GMm/r» si ottiene calcolando il lavoro della forza gravitazionale per portare la massa dall'infinito, dove si pone lo zero, alla distanza «r»: «U(r) = −∫ da ∞ a r». Per l'orbita circolare vale una relazione notevole fra le energie: l'energia cinetica è «K = ½mv² = GMm/(2r) = −½U», e l'energia totale «E = K + U = −GMm/(2r) = −K». Che «E» sia negativa e pari all'opposto dell'energia cinetica è la firma di uno stato legato. La velocità di fuga si ricava imponendo «E = 0», cioè «½mv_f² − GMm/R = 0», da cui «v_f = √(2GM/R)», che è «√2» volte la velocità orbitale rasente. Il segno dell'energia classifica le traiettorie: «E < 0» dà orbite ellittiche chiuse, «E = 0» una parabola, «E > 0» un'iperbole — è il caso delle comete di passaggio e delle sonde interplanetarie che sfruttano la «fionda gravitazionale» per acquistare velocità a spese del moto di un pianeta.
Ripasso attivo
Un satellite per telecomunicazioni deve essere posto in orbita geostazionaria, cioè con periodo di rivoluzione uguale al giorno siderale (circa 86164 s). Usando M = 5.97·10²⁴ kg e G = 6.67·10⁻¹¹ N·m²/kg², determina il raggio dell'orbita misurato dal centro della Terra.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Esame di Stato del secondo ciclo — quadri di riferimento e griglie di valutazione (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Mappa della sintesi newtoniana
Confronto Luna-mela (inverso del quadrato)
Il rapporto tra l'accelerazione centripeta della Luna e g segue dalla dipendenza della forza da 1/r^2, con la Luna a circa 60 raggi terrestri: la prova quantitativa della sintesi newtoniana.
III legge di Keplero (forma newtoniana)
Dedotta dalla legge di gravitazione uguagliando forza gravitazionale e forza centripeta: la costante di Keplero 4π²/(GM) dipende solo dalla massa del corpo centrale, e questo trasforma una regola empirica in una conseguenza della teoria.
La Luna dista dal centro della Terra circa 3.84·10⁸ m e impiega circa 27.3 giorni a percorrere la sua orbita (suppostala circolare). Calcola la sua accelerazione centripeta e verifica che è circa 3600 volte minore di g = 9.8 m/s².
T = 27.3 giorni = 27.3 \cdot 86400 s, circa 2.36\cdot10^{6} s.
Per il moto circolare uniforme a = 4 pi greco al quadrato per r diviso T al quadrato.
a = (4 pi^2 \cdot 3.84\cdot10^{8}) / (2.36\cdot10^{6})^2.
Si ottiene a circa 2.7\cdot10^{-3} m/s^2; il rapporto g/a vale 9.8 / 2.7\cdot10^{-3}, circa 3600.
Risultato: L'accelerazione della Luna è circa 2.7·10⁻³ m/s², ossia circa 1/3600 di g: poiché la Luna è a circa 60 raggi terrestri e 60² = 3600, il dato conferma la legge dell'inverso del quadrato e quindi la sintesi newtoniana.
Errori frequenti
Approfondimento
Il confronto Luna-mela si può rendere quantitativo. L'accelerazione centripeta della Luna è «a = ω²r = (2π/T)²·r» con «T ≈ 27.3 giorni» e «r ≈ 3.84·10⁸ m», da cui «a ≈ 2.7·10⁻³ m/s²»; il rapporto «g/a ≈ 9.8/0.0027 ≈ 3600 ≈ 60²» coincide con il quadrato del rapporto delle distanze, e questa coincidenza numerica fu per Newton la prova che la legge dell'inverso del quadrato governa allo stesso modo il cielo e la Terra. La deduzione delle leggi di Keplero dalla legge di Newton è il modello di come una teoria SPIEGHI le osservazioni: dalla forza centrale segue la conservazione del momento angolare (II legge), dall'equilibrio fra gravità e forza centripeta la III legge «T² = (4π²/GM)·r³». Va infine sottolineato che l'indipendenza dell'accelerazione di gravità dalla massa del corpo — la stessa che Galileo osservava nella caduta — discende dall'uguaglianza fra massa inerziale e massa gravitazionale: il principio di equivalenza che Einstein porrà a fondamento della relatività generale.
Ripasso attivo
Spiega, con un ragionamento basato sulla dipendenza della forza da 1/r², perché l'accelerazione centripeta della Luna è circa 3600 volte minore dell'accelerazione di gravità alla superficie terrestre, sapendo che la Luna dista circa 60 raggi terrestri dal centro della Terra.
Richiamo attivo
Ricorda i punti chiave — poi rivela.
Fonti: Indicazioni Nazionali per i Licei (DPR 89/2010, DM 211/2010) — Obiettivi Specifici di Apprendimento (Ministero dell'Istruzione e del Merito (MIM))
Riferimenti e fonti