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Fino al 1600 si pensava che la fisica celeste fosse completamente diversa dalla fisica terrestre. La teoria dominante era quella di Aristotele (384-322 a.C). Aristotele pensava che i corpi celesti fossero fatti di una sostanza "eterna ed inalterabile", mentre la Terra era fatta di materia che si trasformava e si deteriorava. Sempre secondo Aristotele, la Terra era ferma al centro dell'Universo e su di essa i moti dei corpi avevano sempre un inizio ed una fine. Il Sole, le stelle e i pianeti, al contrario, si muovevano, per loro natura, di un moto circolare perfetto ed eterno. A causa della teoria aristotelica dominante, fino al 1600 nessuno si chiese quale fosse la causa del moto dei corpi celesti.
Fu soltanto agli inizi del 1600 che Giovanni Keplero (1571-1630) cercò una spiegazione al movimento dei pianeti e la sua impresa fu portata a termine mezzo secolo dopo da Isaac Newton (1642-1727), che riconobbe nella gravitazione universale le legge generale che regola il movimento di tutti i pianeti dell'Universo.
La rivoluzione iniziata da Keplero e conclusa da Newton fu accompagnata da un'invenzione tecnologica che ebbe un enorme impatto sul modo di indagare l'Universo: il cannocchiale, che Galileo costruì nel 1609 (il 2009 è l'anno dell'astronomia in ricordo di questa invenzione fondamentale!).
Da quando Galileo per primo puntò il cannocchiale al cielo di progressi ne sono stati fatti e se fino al '600 si pensava che la Terra fosse al centro dell'Universo, oggi sappiamo che è un pianeta di dimensioni medie che orbita intorno al Sole, una stella situata in una regione periferica di una normale galassia (la Via Lattea), tra i cento miliardi di galassie che esistono nell'Universo osservabile!
Ma torniamo a Newton e alla legge di gravitazione universale!

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Dal principio di inerzia sappiamo che un corpo in movimento, su cui non è applicata alcuna forza, continua a muoversi in linea retta a velocità costante. Il fatto che i pianeti non si muovono in linea retta, ma percorrono un'orbita chiusa intorno al Sole, indica che su di essi deve agire una forza. La stessa cosa si può dire per i satelliti che ruotano intorno ai pianeti e in particolare per la Luna. Su di essa deve agire una forza che incurva continuamente il suo cammino.
Già sapete che questa forza è l'attrazione di gravità della Terra. Riconoscere che la Luna è trattenuta nella sua orbita dalla stessa forza che fa cadere un sasso sulla superficie della Terra ha rappresentato un passo enorme nella storia del pensiero scientifico. Secondo il filosofo francese Voltaire (1694-1778), Newton arrivò a fare questa scoperta in un modo piuttosto curioso. Seduto nel suo orto, Newton ventiquattrenne stava guardando la Luna quando improvvisamente fu distratto da un tonfo. Una mela era caduta dall'albero. Newton si chiese allora se la forza di attrazione della Terra, che fa cadere la mela e sembra estendere la sua azione tutt'intorno alla Terra, non possa giungere fino alla Luna, provocando la sua "continua caduta" verso la Terra. Fu questa, secondo Voltaire, la scintilla che fece scoccare nella mente di Newton l'idea di una legge di attrazione gravitazionale universale.

Le due masse m1 e m2 si attraggono con una forza, F=F1=F2, che è direttamente proporzionale alle due masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza, r, tra le due masse. G è la costante di gravitazione universale (From Wikipedia).

Newton fece l'ipotesi, poi confermata da moltissimi esperimenti e osservazioni astronomiche, che l'intensità F della forza gravitazionale con cui si attraggono due masse m₁ e m₂, che si trovano ad una distanza r, sia data dalla formula riportata sopra. G si chiama costante di gravitazione universale ed è una quantità che ha sempre lo stesso valore per tutti i corpi, indipendentemente dalla loro massa e dal luogo in cui essi si trovano. Un valore molto preciso di G fu stimato da Cavendish.

Cavendish usò il sistema sperimetale mostrato nello schema sottostante. Usando una bilancia di torsione (un dispositivo molto sensibile a forze piccolissime) egli riuscì a misurare la forza con cui si attraggono una pallina d'oro di pochi grammi (in rosso) e una grande sfera di piombo di diversi kg (in grigio). Come si vede dallo schema, avvicinando le due sfere di piombo alle due sfere più piccole d'oro l'attrazione gravitazionale tra le sfere fa ruotare le sferette d'oro.

From Wikipedia

La legge di gravitazione universale è valida per tutti i corpi dell'Universo dalle molecole, ai pianeti, agli oceani, all'atmosfera, alle stelle della Via Lattea, alle comete, alle goccioline di pioggia e così via. I due corpi che si attraggono potrebbero essere due atomi, due stelle, un satellite e la Terra, una persona e la Terra, due libri, due tavoli: in generale qualsiasi coppia di oggetti. E' chiaro però che la forza con cui si attraggono due corpi dipende dalla loro massa e dalla distanza tra i due corpi.
Se usiamo la legge di gravitazione universale per calcolare la forza con cui si attraggono due sassi ciascuno di massa 1 kg posti alla distanza di 1 m, otteniamo un valore di F = 6,67 x 10^-11 N. Quindi i due sassi si attraggono con una forza piccolissima che nella nostra esperienza quotidiana risulta del tutto trascurabile e sicuramente non è avvertibile. Tanto più grandi sono le masse coinvolte e tanto più queste sono vicine, tanto più aumenterà la forza di attrazione gravitazionale. Ed è proprio per questo motivo che questa forza diventa importante con masse grandi come quelle dei pianeti, dei satelliti e delle stelle.
Per esempio la Luna è soggetta contemporaneamente all'attrazione gravitazionale della Terra e del Sole. Usando la legge di gravitazione universale si può calcolare che l'intensità della forza di attrazione Sole-Luna è circa il doppio di quella Terra-Luna. Infatti è vero che la Luna è più vicina alla Terra, ma la massa del Sole è talmente più grande di quella della Terra da compensare ampiamente la differenza di distanza. Quando si pensa al moto della Luna intorno alla Terra in genere non si considera l'effetto gravitazionale del Sole. Ciò non è dovuto al fatto che questo effetto sia trascurabile ma al fatto che la Luna e la Terra in realtà sono insieme in caduta libera attorno al Sole. In prima approssimazione nel loro sistema di riferimento "unico" la forza gravitazionale solare non si avverte.
L'Universo è formato da miliardi e miliardi di stelle e tutte interagiscono gravitazionalmente. Misure accurate dimostrano che tutte le stelle della nostra galassia, la Via Lattea, ruotano intorno ad uno stesso punto sotto l'azione della forza di gravità.
La forza di gravità è quindi la causa del moto di tutti i corpi celesti!

La Via Lattea (http://leaden.altervista.org/space/img/art-rs20050822spitzer01.jpg)

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)