Cos'è la velocità di fuga e perché è fondamentale nei razzi?

Una delle cose che ha mantenuto l’umanità in costante avanzamento è stato proprio questo: il movimento e le migrazioni che ha compiuto nel corso della sua storia, da quando l’Homo sapiens vide la luce nel continente africano milioni di anni fa.

Tutti questi spostamenti sono sempre stati pieni di pericoli e nuove avventure, ma anche di scoperte sorprendenti e, con esse, di grandi risorse che non esistevano nella precedente terra d’origine, il che ci ha portato a nuove forme di sopravvivenza e adattamento ai nuovi ambienti.

Il problema che dovettero affrontare coloro che si avventuravano nell’ignoto, verso ciò che c’era “più in là”, furono sempre i mezzi a disposizione e, con essi, l’energia e/o il combustibile necessario per intraprendere il viaggio. Problemi che vennero superati mano a mano in base alla tecnologia disponibile in ogni epoca.

Tuttavia, non saremmo qui a leggere queste righe se quegli esploratori non fossero riusciti nel loro intento, raggiungendo nuovi luoghi e nuove mete, ricchi di risorse, che permisero non solo l’insediamento delle popolazioni, ma una loro crescita esponenziale.

La nuova destinazione che ci attende, e che appare lontana non solo nello spazio ma anche nel tempo, sono le stelle, con i pianeti del nostro vicinato come tappa intermedia prima di arrivare “all’infinito e oltre”. Ma il primo passo è liberarci dalla nostra prigione gravitazionale.

Primo ostacolo: l’attrazione gravitazionale terrestre

L’energia necessaria per liberarci dalla nostra invisibile (ma sempre presente) compagna, la gravità, è proporzionale alle dimensioni del nostro pianeta che, in termini astronomici, è piuttosto piccolo, anche se per noi esseri umani non lo sembra affatto.

Dal XVII secolo, da quando Isaac Newton formulò le leggi della meccanica, sappiamo che la forza di attrazione tra due corpi dipende non solo dalla loro massa, ma anche dalla distanza che li separa.

Se facciamo qualche calcolo, scopriamo che più siamo vicini al (centro del) pianeta, maggiore è l’energia necessaria per sfuggire all’attrazione gravitazionale che ci trattiene sulla superficie. Come abbiamo imparato alle scuole medie, dobbiamo vincere un’accelerazione di 9,81 metri al secondo quadrato.

Questo numero, conosciuto come “g”, si ottiene tramite la Legge di Gravitazione Universale. Per la Terra viene calcolato utilizzando la massa del pianeta, che è di circa 6.000 trilioni di tonnellate, e il suo raggio, che misura circa 6.000 chilometri: da qui deriva il valore da superare.

Secondo ostacolo: l’energia

Se proseguiamo con i calcoli e iniziamo a pensare alla quantità di energia necessaria per superare la gravità terrestre, dobbiamo ricorrere a ciò che chiamiamo Energia Potenziale, che è fondamentalmente quella che ci mantiene ancorati alla superficie del pianeta.

Se eguagliamo l’energia totale necessaria per vincere l’attrazione gravitazionale, otteniamo la velocità minima che ci serve per fuggire, in questo caso, dalla Terra. Da questo deriva il suo nome: “velocità di fuga”, che per la Terra è di 11 km/s, circa 40.000 km/h.

Quarantamila chilometri orari! È quasi come fare il giro del mondo, ma non in 80 giorni: in un’ora! Per farlo, dovresti essere 6 volte più veloce dell’aereo sperimentale X-15, “il più veloce mai costruito”, che supera di poco i 7.242 km/h. Per non parlare di un normale aereo di linea, che vola a circa 1.000 km/h.

Come possiamo intuire, per liberarci dalla nostra prigione cosmica è necessaria molta più – davvero molta più – energia, carburante e potenza! Dalla metà del secolo scorso, le grandi potenze iniziarono a chiedersi come costruire macchine in grado di raggiungere questo traguardo e partire alla conquista dello Spazio.

Macchine interplanetarie e assistenza gravitazionale

La corsa allo spazio, che in realtà iniziò nei primi decenni del XX secolo, fu purtroppo lo stimolo decisivo che spinse l’umanità a costruire quelli che oggi sono i razzi moderni, sempre più potenti e progettati per arrivare sempre più lontano.

Una delle tecniche sfruttate dalla tecnologia spaziale è l’assistenza gravitazionale del pianeta stesso. A questo punto nasce la domanda: come ottenere questo “aiutino”? Semplice… più o meno. Basta lanciare il razzo il più vicino possibile all’equatore terrestre.

La fisica ci insegna che la Terra ruota più velocemente dove è più larga, cioè all’equatore, quindi se un lancio avviene in prossimità di questa zona, sarà necessaria un po’ meno energia per raggiungere l’obiettivo. Un gran vantaggio quando si fanno i conti dei costi del carburante.

Oggi vengono lanciate ogni anno centinaia di missioni, sia con satelliti per telecomunicazioni sia con test di veicoli spaziali, con l’obiettivo non solo di arrivare più lontano, ma anche di riportare indietro i loro equipaggi. Ci aspettano anni interessanti nella nuova corsa allo spazio e potremo esserne testimoni diretti, magari vedendo il ritorno sulla Luna e, chissà, anche oltre…