Il peso va, la massa resta Una bilancia da usare in orbita
di Antonio Rivetti e Gianni Martini Cnr, Istituto
Colonnetti, Torino, (pubblicato il 27 novembre 1996 su TuttoScienze)
L'ASTRONAUTA a bordo di una navicella spaziale in orbita intorno alla Terra
sperimenta la condizione di assenza di peso, sottoposto com'è all'azione di due
forze uguali e contrarie: la forza peso, dovuta all'attrazione gravitazionale
del nostro pianeta, che tende ad attrarlo verso Terra; e la forza centrifuga,
dovuta al moto di rivoluzione del satellite intorno alla Terra, che invece tende
ad allontanarlo. L'astronauta dunque fluttua all'interno del satellite e ha di
fatto peso nullo. Ma la sua massa è la stessa che aveva sulla Terra, e lo
stesso vale per tutti gli oggetti che fluttuano intorno a lui. La misura della
massa di un corpo viene normalmente eseguita sulla Terra utilizzando una
bilancia, uno strumento cioè che misura la forza con cui esso viene attratto
per gravità verso terra (la forza-peso).
E' evidente che in assenza di peso nessuna delle bilance "terrestri"
è utilizzabile, e per "pesare" il nostro astronauta o uno qualsiasi
degli oggetti che fluttuano intorno a lui, si dovrà ricorrere ad altri metodi
di misura, ad esempio sfruttando le
caratteristiche inerziali della massa anziché quelle gravitazionali.
Misurare la massa inerziale o la massa gravitazionale di un corpo è infatti la
stessa cosa, secondo il Principio di Equivalenza postulato da Einstein e
verificato a tutt'oggi con un'incertezza inferiore a una parte su cento
miliardi. Per effettuare una misura della massa inerziale si possono utilizzare
diversi metodi, fra cui quello basato sulla misura della centrifuga agente su un
corpo quando questo viene fatto ruotare intorno ad un asse. L'oggetto da "pesare"
risulta allora sottoposto a un campo di forze stazionario, e ciò, diversamente
da altri metodi, consente la misura di oggetti di qualsiasi natura, solidi,
liquidi, polveri, gel e perfino esseri viventi. Se infatti si adottano opportuni
accorgimenti (avviamento e arresto dolce, bassa velocità di rotazione),
l'oggetto in esame quasi non si accorge di essere "centrifugato", e
sperimenta una sorta di gravità artificiale.
Nell'applicazione del metodo centrifugo esiste tuttavia un'insidia nascosta:
per ottenere il valore della massa dell'oggetto è necessario individuarne con
estrema precisione (entro pochi millesimi di millimetro) la posizione del
baricentro, ciò che, se già è difficile nel caso di un solido regolare, è
praticamente impossibile quando l'oggetto è di forma qualsiasi.
Questo ostacolo, a prima vista insormontabile, è invece facilmente
aggirabile adottando un semplice artificio che consiste nell'eseguire, invece di
una, due successive misure sull'oggetto in esame, spostando quest'ultimo fra una
misura e l'altra, di una quantità nota. E' allora possibile risalire al valore
della massa incognita inserendo nei calcoli il valore dello spostamento
effettuato, anzichè il raggio baricentrico incognito. Un prototipo di bilancia
inerziale basata sul metodo centrifugo è stato recentemente sviluppato presso
l'Istituto di Metrologia "G. Colonnetti".
Molto schematicamente, la bilancia è costituita da un disco rotante sul
quale una piattaforma può essere spostata radialmente fra due riferimenti fissi
sul disco e posti fra loro a distanza nota. Alla piattaforma è sospeso mediante
speciali cerniere elastiche il piattello di misura, anch'esso mobile radialmente
e destinato ad alloggiare gli oggetti da "pesare": una molla di
trazione trattiene verso l'asse di rotazione il piattello, esercitando su di
esso un'azione centripeta. La misura consiste nell'equilibrare la forza
centripeta esercitata dalla molla con la forza centrifuga agente sul gruppo
oggetto più piattello per effetto della rotazione del disco: la regolazione
della velocità di rotazione è ottenuta con un controllo "ad anello chiuso",
tendente a mantenere il piattello nella sua posizione di zero, posizione che
viene rilevata mediante un sensore ad elevata sensibilità (Lvdt). Questo
prototipo, capace di misurare la massa di oggetti di varia natura con una
portata massima di 500 grammi e con un'incertezza inferiore a 0,1 g, e' stato
realizzato con la collaborazione di Alenia Spazio e con finanziamenti
dell'Agenzia Spaziale Italiana (Asi). E' un modello "di terra" già
pensato per operare in condizioni di micro-gravità, ma non ancora "spazializzato",
cioè non ottimizzato per il volo spaziale dal punto di vista dei pesi, degli
ingombri e delle normative specifiche.
Recentemente esso è stato presentato ad un simposio organizzato
dall'Agenzia Spaziale Europea presso il centro Esoc di Darmstadt, in vista di un
suo possibile utilizzo sulla futura Stazione Spaziale Internazionale il cui
lancio e' previsto per la fine degli Anni 90.
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