Restiamo Pignoli

Le alte temperature che si sviluppano quando un meteorite o una capsula spaziale entrano nell’atmosfera terrestre vengono spesso spiegate con l’attrito. Mi ha davvero colpito scoprire che è sbagliato. Ed ho pensato immediatamente (e bonariamente!) al pericolo che stanno correndo alcuni utenti di questo forum!

Non ho potuto non ripensare al Saggiatore e alla disputa tra Orazio Grassi e Galilei in cui l’uno sosteneva che l’attrito rendeva incandescenti le comete e l’altro che, se mai, si sarebbero raffreddate attraversando l’aria.

A quel tempo probabilmente non esisteva una rigorosa definizione di attrito ma oggi sì per cui non possiamo dire, a riguardo del rientro distruttivo di un satellite, che questo bruci a causa dell’attrito con l’atmosfera. Bensì dovremmo dire che la causa è la compressione e l’espansione isoentropica dell’aria:

Un corpo che si muove molto velocemente nell’aria, la comprime davanti a sé. Se la velocità è più grande della velocità del suono si forma davanti all’oggetto volante un “urto di compressione”: un salto a valori più alti di densità, pressione e temperatura, e valori più bassi per la velocità nel sistema di riferimento del corpo in volo. Questo salto è tanto più grande quanto più alta è la velocità del corpo in volo. Per una capsula spaziale che rientra nell’atmosfera la temperatura raggiunge 20 000 K, e lo scudo termico protettivo si riscalda fino a 2000 K. La temperatura diminuisce per la successiva espansione e per i processi vorticosi e di attrito che si sviluppano. Le alte temperature allora si instaurano davanti al “naso” del veicolo e non dove ci sono i fenomeni di attrito.

Vi invito caldamente a dare un occhio a Concezioni Inadatte all’Insegnamento della Fisica di Friedrich Herrmann:
http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/publication/concezioni_inadatte.pdf
La faccenda dell’attrito è spiegata nel capitolo 45.

  • Restiamo Pignoli - :wink:

Bella spiegazione, me la segno - in effetti l’attrito non c’è.

Sì, è una semplificazione errata che si fa per spiegare il concetto ai non esperti: si usa il termine attrito piuttosto che resistenza aerodinamica. Però occhio che le onde d’urto non sono isoentropiche…

Cmq, a voler essere ancora più pignoli, nel rientro atmosferico si raggiungono velocità ipersoniche, e quindi bisogna andare oltre all’aeorgasdimanica classica: alle equazioni per calcolare il riscaldamento/raffreddamento va aggiunto che parte dell’energia viene assorbita/rilasciata dalle molecole d’aria che si spaccano e si ricompongono.

Ho cercato un po’ ed infatti sopra a circa Mach 0,85 (ovvero quando il flusso accelera localmente a velocità supersoniche) si generano onde d’urto che incrementano la resistenza aerodinamica, e queste non sono isoentropiche.

Per quanto riguarda la rottura delle molecole dell’aria Friedrich Herrmann scrive:

Di fatto i fenomeni dello shuttle sono ancora più complicati, poiché a causa delle alte temperature si innescano eccitazioni elettroniche, dissociazioni ed altre reazioni chimiche. Ma tutto questo ha come conseguenza un’ulteriore diminuzione della temperatura.

Quindi non sarebbero responsabili del riscaldamento. Pero’ abbiamo visto che anche lui qualche imprecisione se la lascia sfuggire :wink:

No no, questo è giusto. Le vibrazioni e la dissociazione delle molecole assorbono energia, quindi riducono la temperatura massima raggiunta