Forza di gravità artificiale

[40rob]

In alcune serie televisive (“Mobile Suit Gundam”) ed in alcuni film (“2001 Odissea nello Spazio”) viene mostrato che può essere creata una sorta di forza di gravità artificiale facendo ruotare rispetto ad un sistema inerziale delle abitazioni cilindriche (molto grandi) in cui vivono alcuni astronauti. Ammesso che sia vero, come si spiega questo fenomeno? Se un corpo è fermo (rispetto ad un qualche sistema inerziale) ed un altro corpo di forma cilindrica inizia a ruotargli intorno non riesco a comprendere per quale motivo il corpo fermo (in qualsiasi posizione si trovi) debba essere sottoposto ad una qualche forza radiale che lo spinge verso la periferia del cilindro: è necessario, per spiegare il fenomeno, introdurre un vincolo che permetta al corpo fermo di spostarsi soltanto radialmente rispetto al cilindro? Intuitivamente riesco a comprendere che se si introduce questo vincolo il corpo semilibero inizierà a spostarsi verso la periferia del cilindro rotante anche se non riesco a comprendere bene con quale legge oraria debba spostarsi. Comunque se le cose stanno così, nell’esempio delle abitazioni cilindriche, tratto dalla science fiction, da cosa è generato questo vincolo? Lì c’è soltanto il pavimento circolare del cilindro che può vincolare gli abitanti, ed ho pensato che se qualcuno di questi astronauti saltasse perpendicolarmente al pavimento, una volta libero dall’attrito, non dovrebbe atterrare di nuovo nello stesso punto di partenza come accadrebbe se il cilindro fosse fermo e ci fosse realmente una forza radiale che lo spinge verso l’esterno. Qualcuno saprebbe spiegarmi in modo abbastanza semplice il fenomeno? Ammesso, come ho già detto, che sia tutto vero.

[cavallipurosangue]

Tutto dipende dal vincolo che c'è tra pavimento e persona, infatti è chiaro che se uno prima è fermo rispetto ad un sistema inerziale e dopo ruota, almeno per qualche istante deve aver agito una qualche forza; vero è anche, che una volta che il cilindro ruota su se stesso, non c'è più bisogno di questo vincolo. La questione è in ogni caso relativamente delicata, infatti lasciando libertà alle persone di muoversi sulla superficie del cilindro in rotazione (dipende da quanto la velocità periferica del cilindro è più grossa di quella che normalmente possono avere le persone all'interno), esse potrebbero alterare significativamente la loro percezione di forze. Infatti queste ultime sentirebbero agire su se stesse oltre alle forze reali (nello spazio aperto circa 0 se non l'attrito quanto basta), le forze apparenti dovute al loro movimento. Se per caso fosse possibile che potessero avere velocità periferica relativamente al cilindro uguale a quella del cilindro stesso, non toccherebbero più terra e si ritroverebbero nelle condizioni di assenza di attrito e quindi nelle condizione da te ipotizzate. A quel punto puoi far girare quanto ti pare il cilindro, ma nessuno toccherà più "terra" senza l'ausilio di qualche altra forza.

[mircoFN1]

Ah, le forze d'inerzia !!!!

[cavallipurosangue]

[40rob]

Siccome nei film, telefilm e cartoon di fantascienza inseriscono tantissime boiate pseudoscientifiche, ero curioso di sapere se anche questa fosse una ulteriore boiata .
Credevo all'inizio che il fenomeno ottenuto tramite la rotazione dei cilindri fosse simile a quello che si ottiene facendo spostare un laboratorio in moto rettilineo uniformemente accelerato. Infatti se il laboratorio è accelerato uniformemente, i movimenti e le azioni dei passeggeri all'interno di questo risultano indistinguibili da quelli degli stessi passeggeri in un laboratorio fermo in cui agisce un campo di forze (dove le forze che agiscono sui corpi presenti sono costanti in direzione modulo e verso). In pratica da quello che ho inteso dalla tua risposta, gli abitanti di questi cilindri rotanti, muovendosi, compieranno traiettorie abbastanza diverse da quelle che seguirebbero in un cilindro fermo in cui agiscono delle forze orientate radialmente e direttamente proporzionali alla distanza dall'asse del cilindro. Sai non riuscivo a capire come si potesse "simulare" qualcosa del genere soltanto facendo ruotare questi cilindri, ed infatti accade tutt'altro.
Cavallipurosangue grazie per il chiarimento,
Ciao!

[cavallipurosangue]

Per precisione io intendevo dire che se ad es c'è una persona ferma rispetto al cilindro e si vuole che essa senta esattamente su di sè il peso che aveva sulla terra si deve far ruotare la stazione spaziale con una velocità angolare:

$\omega=sqrt(g/R)$ dove R è il raggio del cilindro.

Ora visto che in fase progettuale si può dimensionare quest'ultimo in modo da ridurre al minimo gli effetti indesiderati io cercherei di rendere quest'ultimo il più grande possibile (fino a che poi si va incontro a problemi di massa eccessiva, costo eccessivo ed altri problemi), in modo che il movimento casuale degli addetti all'interno della stessa possa alterare il meno possibile la percezione del peso...

Come si può ricercare a priori una condizione del genere? Dobbiamo fare in modo che la velocità periferica della stazione sia molto più alta di quella che può possedere un uomo qualunque sia il suo moto relativo. La condizione da ricercare a mio avviso è: $v_s> >v_p=>sqrt(gR)> >v_p=>R> >v_p^2/g$, dove $v_s$ è la velocità periferica della stazione, mentre $v_p$ la velocità relativa dell'uomo rispetto alal stazione; esagerando anche un po' si può ipotizzare $v_p=10 m/s$, da cui di conseguenza $R> > 10.2 m$... Credo che questa condizione sia nella maggior parte dei casi rispettata.

Per quanto riguarda invece il problema legato alla necessità del contatto al pavimento per il corretto funzionamento, potrebbero essere usati dei dispositivi magnetici (anche sulle scarpe stesse) in modo da esercitare l'eventuale azione di richiamo al "suolo", anche se va ricordato che questo effetto di cui parlavo nel post precedente avviene solo in quel caso particolare, infatti per esempio se si fa un salto essendo fermi rispetto alla stazione, l'attrito ai piedi sparisce, ma la velocità che prima avevi rispetto al sistema inerziale rimane tale e quale. Visto poi che a quel punto la tua traiettoria sarebbe rettilinea, mentre il pavimento curvo, automaticamente dopo un certo breve istante ritorni coi piedi per terra. Infatti per rimanere indefinitamente staccato dal pavimento possedendo una certa velocità dovresti percorrere una traiettoria circolare senza che su di te agisca nessuna forza radiale il che è impossibile.

Spero che si capisca ciò che volevo dire...

[40rob]

Mi piacerebbe proprio sperimentare praticamente in prima persona quello che accade per vedere se non mi accorgo di alcuna differenza . All’inizio pensavo che si potesse simulare perfettamente un campo di forze, ma non riuscivo a capire come potesse accadere qualcosa del genere a causa di alcuni effetti strani (il più evidente è sicuramente quello di cui hai parlato tu nell’altro messaggio) che non ci si sarebbe aspettati se ci si fosse trovati “immersi” in un campo di forze reale. Quello che si riesce a fare insomma è qualcosa che si avvicina abbastanza, dal punto di vista percettivo degli abitanti di questi laboratori, ad un vero campo di forze.
Grazie ancora per tutte le tue osservazioni e le precisazioni successive, sei stato davvero molto chiaro ed esauriente.
Ciao!

[cavallipurosangue]

Di nulla In effetti poi questo quesito mi ha anche abbastanza ispirato...

[mircoFN1]

"bub":Mi piacerebbe proprio sperimentare praticamente in prima persona quello che accade per vedere se non mi accorgo di alcuna differenza . All’inizio pensavo che si potesse simulare perfettamente un campo di forze, ma non riuscivo a capire come potesse accadere qualcosa del genere a causa di alcuni effetti strani (il più evidente è sicuramente quello di cui hai parlato tu nell’altro messaggio) che non ci si sarebbe aspettati se ci si fosse trovati “immersi” in un campo di forze reale. Quello che si riesce a fare insomma è qualcosa che si avvicina abbastanza, dal punto di vista percettivo degli abitanti di questi laboratori, ad un vero campo di forze.
Grazie ancora per tutte le tue osservazioni e le precisazioni successive, sei stato davvero molto chiaro ed esauriente.
Ciao!

il fenomeno indicato è sperimentato quotidianamente dalla biancheria quando è centrifugata nella lavatrice.
Lo sperimenti quando sei in curva in automobile, e se vai su una montagna russa con il giro della morte anche in modo più forte!
Certi simulatori di gravità per gli astronauti sono in effetti delle centrifughe con cui si può arrivare facilmente a 5-6 g per riprodurre le sollecitazioni che si provano in fase di lancio....

Cosa vuol dire 'reale' per te? Per me significa misurabile ...

ciao

[cavallipurosangue]

Non vi scordate di un bel giro di qualifica su una moderna F1... Anche lì si arriva anche a 5.5 g...

[mircoFN1]

Certo .. se poi vai a sbattere anche (30-40)g

[cavallipurosangue]

Addirittura hanno stimato tempo fa che il botto di Kubica in Canada, non so se l'hai mai visto, è avvenuto con 75 g di decelerazione frontale... Il telaio era quasi intatto, solo il musetto si è letteralemnte "rincalcato"; il pilota non si è fatto quasi nulla e per giunta 3 settimane dopo ha corso di nuovo ed è arrivato pure 4°

A parte questo sono chiaramente off topic, sorry...