Una premessa generale: la teoria della relatività afferma che la caduta libera in un campo gravitazionale è indistinguibile dall’assenza di gravità, dunque, almeno dal punto di vista sperimentale, è una questione di poco conto.
Il lettore, però, vuole sapere se nel punto in cui si trova l’astronauta esista o meno l’attrazione terrestre.
La risposta è che, in generale, esiste e l’astronauta è in caduta libera. A seconda della sua posizione e velocità, può essere in orbita intorno alle Terra, alla Luna, o seguire una traiettoria più complessa intorno ai due corpi, ma in ogni modo segue una traiettoria orbitale nel campo gravitazionale dei due corpi.
Un caso molto particolare è se l’astronauta si trova sulla congiungente Terra-Luna, a 326 mila Km dalla Terra; questo punto, denominato punto L1 di Lagrange è quello in cui la gravità di Terra e Luna si compensano esattamente. Anche in questo caso, però, va tenuto presente che il sistema Luna-Terra-astronauta è in orbita intorno al Sole, dunque non si può affermare che si sia in assenza di gravità. E in ogni caso L1 è un punto di equilibrio instabile, per cui la traiettoria, in mancanza di correzioni, non potrebbe mantenersi indefinitamente.
La totale assenza di gravità, a ben vedere, non esiste: esiste solo a distanza infinita da qualsiasi corpo massiccio, ed è un concetto astratto. Anche a grande distanza dal Sole saremmo in orbita attorno al centro della galassia, e a grande distanza dalla galassia orbiteremmo secondo qualche traiettoria complessa nel gruppo galattico locale.
La velocità di fuga è definita come la velocità minima iniziale che, in un traiettoria balistica, ci consente di allontanarci indefinitivamente da un corpo che esercita attrazione gravitazionale. In altre parole, se voglio sparare un proiettile in modo che non ricada più sulla Terra, dovrò imprimergli la velocità di fuga dalla Terra.
La velocità di fuga è un concetto semplificato, che assume la presenza di un solo corpo (la Terra nel nostro esempio). Se la Terra fosse isolata nello spazio, un corpo con la velocità di fuga non si metterà in orbita ne’ ricadrà sulla terra, ma fuggirà via nello spazio. In un caso più reale, a seconda della traiettoria, potrebbe essere catturato in orbita intorno alla Luna, finire in orbita solare o seguire una traiettoria più complessa nel sistema solare. Se vogliamo che il nostro proiettile sfugga anche dal sistema solare, una volta allontanatici sufficientemente dalla Terra da poter trascurare i suoi effetti gravitazionali, dovremo dare una nuova spinta, pari alla velocità di fuga dal Sole in quel preciso punto.
Per finire, va tenuto presente che in astronautica la velocità di fuga è solo una banale semplificazione: in pratica non si sparano mai proiettili in traiettoria balistica (cioè con una singola spinta iniziale) perché la velocità da raggiungere e l’accelerazione da imprimere sarebbe così elevata da distruggere qualsiasi veicolo spaziale e uccidere i suoi occupanti. Quello che si fa è usare dei razzi, che imprimono una spinta minore lungo tutta la traiettoria di ascesa. Questa strategia comporta almeno tre vantaggi: non solo l’accelerazione istantanea in ogni momento è minore, ma la spinta impressa quando ci si è già allontanati dalla Terra è molto più “efficace”, in quanto deve contrastare una gravità molto minore; inoltre una velocità elevata all’inizio della traiettoria, dove l’aria è densa, è sprecata perché dissipa energia in calore per attrito e la velocità si disperde, mentre la spinta impressa quando si è fuori dall’atmosfera non viene più dissipata.