La prima teoria che è stata proposta per spiegare la struttura
dell'Universo e il moto degli astri è stata formulata da Aristotele
nel IV secolo a.C. Secondo questa teoria, tutti i corpi celesti allora
conosciuti (la Luna, Mercurio, Venere, il Sole, Marte, Giove, Saturno e
le cosiddette "stelle fisse") erano incastonati in sfere rigide concentriche
rotanti in modo uniforme attorno alla Terra. Le varie peculiarità
dei moti planetari venivano spiegate attraverso complicati moti su circonferenze
centrate su queste sfere.
Le sfere celesti avevano la proprietà di essere perfette ed
immutabili.
La teoria geocentrica rimase in voga fino al secolo XVI, quando l'astronomo
polacco Niccolò Copernico (1473-1543) formulò l'ipotesi che
fosse il Sole, e non la Terra, il centro dell'universo.
Copernico sosteneva che la Terra è un semplice pianeta orbitante come gli altri intorno al Sole. Qusta teoria prende quindi il nome di eliocentrica. L'ipotesi di Copernico era accompagnata da un accurato studio per spiegare il moto dei pianeti, ma incontrò notevoli resistenze nel mondo scientifico dell'epoca. La sua definitiva affermazione fu dovuta agli studi di Galileo Galilei (1564-1624) e alla dimostrazione che le orbite di tutti i pianeti sono ellissi, delle quali il Sole occupa uno dei due fuochi. Questa fu fornita da Giovanni Keplero (1571-1630), sulla base delle osservazioni condotte dall'astronomo danese Thyco Brahe. Oggi noi sappiamo che a sua volta il Sole non è al centro dell'universo, ma è solo una delle tante stelle della nostra galassia, e questa, a sua volta, è solo una delle tante galassie che lo popolano.
Disegno che illustra la teoria eliocentrica, da "De rivolutionis" di Copernico. |
Keplero enunciò tre leggi che regolano il moto dei pianeti attorno
al Sole; questo moto prende il nome di "rivoluzione". Il tempo impiegato
dal pianeta tra due passaggi consecutivi per lo stesso punto dell'orbita
si dice "periodo" della rivoluzione. Le tre leggi di Keplero sono dedotte
dall'osservazione senza alcuna base teorica. Isaac Newton (1642-1727) rivelò
in seguito come queste leggi non siano altro che casi particolari della
legge di gravitazione universale, che descrive l'interazione tra tutti
i corpi.
Tutti i pianeti descrivono attorno al Sole delle orbite di forma
ellittica. Il Sole occupa uno dei due fuochi, comune a tutte le ellissi.
L'ellisse è una figura piana ottenuta sezionando un cono con
un piano non perpendicolare al suo asse; ha la proprietà che la
somma delle distanze da due punti detti fuochi è la stessa per tutti
i suoi punti. Dato che i pianeti percorrono un'orbita ellittica, della
quale il Sole occupa uno dei due fuochi, risulta che la distanza Sole-pianeta
varia nel tempo, ed ha un valore massimo in un punto detto "afelio" ed
un valore minimo in un punto detto "perielio". Si dice "eccentricità"
dell'ellisse il rapporto tra la misura della distanza di un suo fuoco dal
centro e la misura del semiasse maggiore. Una circonferenza può
essere vista come un caso particolare di ellisse, con eccentricità
nulla.
SECONDA LEGGE DI KEPLERO
Il raggio vettore copre aree uguali in tempi uguali.
Si intende per raggio vettore il segmento che congiunge il centro del
Sole con quello del pianeta. La sua lunghezza varia lungo l'orbita, variando
la distanza del pianeta dal Sole. Prese due aree uguali definite dal raggio
vettore, dalla seconda legge di Keplero risulta che la rivoluzione del
pianeta non avviene con velocità uniforme, ma è più
rapida al perielio e più lenta all'afelio.
TERZA LEGGE DI KEPLERO
Il quadrato dei periodi di rivoluzione dei pianeti è proporzionale
ai cubi dei semiassi maggiori delle loro orbite.
Questa legge implica che, tanto maggiore è la distanza del pianeta
dal Sole, tanto più lenta sarà la sua rivoluzione. Infatti,
più il pianeta è vicino al Sole e più risente della
sua attrazione, perciò esso deve muoversi a maggior velocità
per sfuggirle. In realtà, sia il Sole che il pianeta ruotano attorno
al baricentro comune, ma poichè il primo è molto più
massiccio del secondo, il baricentro coincide quasi con il centro del Sole,
e quindi la sola rivoluzione evidente è quella del pianeta attorno
al Sole. Questo avviene ogni volta che un corpo ruota attorno ad un altro
molto più massiccio. Queste leggi, infatti, non sono valide solo
per i pianeti del Sistema Solare, bensì per tutti i corpi celesti.
Se i due corpi hanno masse confrontabili, il loro baricentro non coincide
con nessuno dei due e diventano evidenti le orbite che essi descrivono
attorno a questo punto. Questo avviene per esempio nel caso delle stelle
doppie.
Se invece ci sono tre o più corpi di masse confrontabili, le
loro orbite relative non possono essere predette da nessuna legge semplice
della meccanica, perchè la loro descrizione diventa troppo complessa
e può essere affrontata, in generale, solo dal punto di vista numerico
e non analitico.
LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE
Le tre leggi di Keplero non sono altro che conseguenze della legge di gravitazione universale di Newton, enunciata nel 1688:
Ogni corpo esercita su ogni altro corpo una forza attrattiva che
ha per direzione la retta che congiunge i due corpi e la cui intensità
è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente
proporzionale al quadrato delle loro distanze.
Nel caso di due corpi di masse M
F = K (M1 M2)/r2
dove K è detta costante di gravitazione universale, ed è
indipendente dalla forma dalle dimensioni e dalla composizione chimica
dei corpi in questione. Sulla base della legge di gravitazione universale,
è ovvio che non soltanto il Sole, ma anche ogni pianeta esercita
un'attrazione sugli altri, sebbene molto minore di quella solare. Questo
fa sì che le orbite dei pianeti non siano delle ellissi perfette,
ma risentano delle perturbazioni gravitazionali degli altri pianeti.
ROTAZIONE
La rivoluzione attorno al Sole non è il solo moto dei pianeti.
L'altro moto principale che essi possiedono è quello di rotazione
attorno al proprio asse. L'intervallo di tempo impiegato per compiere un
giro completo su se stessi è detto "periodo di rotazione" o "giorno".
Conseguenza della rotazione è l'alternarsi del "dì" e della
"notte", così come la conseguenza della rivoluzione è l'alternarsi
delle stagioni.