In questo articolo, esploreremo uno dei concetti fondamentali della fisica, la conservazione della quantità di moto, e come questa legge si manifesta all’interno di Starfield.
Come funziona la conservazione della quantità di moto quando ci troviamo nell’ambiente isolato e senza gravità dello spazio profondo? Come influenzano i nostri personaggi in gioco quando sparano un’arma in assenza di una forza di gravità che li tiene ancorati a una superficie? E come invece funziona il moto di una nave nello spazio profondo?
Andiamo a scoprirlo assieme!
Questo articolo è scritto in collaborazione con ChatGPT.
Cos’è la quantità di moto?
La quantità di moto è un modo per esprimere quanto “movimento” possiede un oggetto. In termini semplici, si ottiene dal prodotto tra la massa dell’oggetto e la velocità a cui si sta muovendo. Se un oggetto va più veloce e/o è più pesante, la sua quantità di moto sarà maggiore.
Una cosa interessante della quantità di moto è che non si tratta solo di “quanto” movimento c’è, ma anche “in quale direzione” questo movimento sta andando. Questo perché la quantità di moto è una grandezza vettoriale, il che significa che ha sia una “quantità” (la sua grandezza numerica) che una “direzione” (il percorso che sta seguendo). Questa direzione è importante quando parliamo di conservazione della quantità di moto, come vedremo tra poco.
Conservazione della Quantità di Moto e Assenza di Forze Esterne
La conservazione della quantità di moto è un principio fondamentale che dice che in un sistema chiuso — uno in cui non ci sono forze esterne che agiscono — la quantità di moto totale rimarrà costante nel tempo. Detto in modo più semplice: se sommiamo tutta la quantità di moto degli oggetti in un sistema chiuso, quel totale rimarrà lo stesso, a meno che non intervenga qualche forza esterna.
Prendiamo un esempio pratico legato al tema di questo articolo: il combattimento in assenza di gravità in Starfield. Immagina di essere un astronauta fluttuante nello spazio e di sparare un’arma. Non appena il proiettile parte in una direzione, tu sarai spinto nella direzione opposta. Questo accade perché, in assenza di forze esterne come la gravità, la quantità di moto del proiettile andando avanti “annulla” esattamente quella tua andando all’indietro, mantenendo così costante la quantità di moto totale del sistema.
Immaginiamo un scenario in cui il personaggio del giocatore, con una massa di 100 kg, spara un’arma da fuoco e riceve una spinta all’indietro, iniziando a muoversi alla velocità di 1 m/s.
Per conservare la quantità di moto, il sistema composto dal personaggio e dal proiettile deve avere una quantità di moto totale di zero prima e dopo lo sparo. Supponiamo che il personaggio inizi da una posizione ferma e poi inizi a muoversi all’indietro alla velocità di 1 m/s dopo aver sparato. La quantità di moto del personaggio dopo lo sparo sarebbe (100 kg)×(−1 m/s)=−100 kg m/s, dove abbiamo preso la velocità negativa immaginando una direzione spaziale positiva “in avanti” (il rinculo dell’arma, infatti, sposta il personaggio all’indietro).
Per la conservazione della quantità di moto, il proiettile deve avere una quantità di moto di +100 kg m/s!
Supponiamo che la massa del proiettile sia di 10 grammi, la sua velocità sarebbe quindi:
100 kg m/s0.01 kg=10,000 m/s
Una velocità di 10,000 m/s è molto superiore alle velocità tipiche dei proiettili sparati da armi da fuoco convenzionali, che sono generalmente nell’ordine di 300-1000 m/s. Questo suggerisce che, a meno che l’arma non sia estremamente avanzata o basata su qualche forma di tecnologia futuristica, sarebbe poco realistico per un personaggio di massa 100 kg ricevere una spinta all’indietro di 1 m/s semplicemente sparando un proiettile di massa convenzionale.
C’è però da dire che, almeno come fondamento teorico, il fenomeno fisico è rispettato, seppur con un po’ di creatività.
Inoltre, sparando più colpi di seguito, il contributo alla quantità di moto del personaggio va a sommarsi: questo è coerente con il mondo reale ed evidente nel caso di armi a raffica.
Ma cosa accade invece nello spazio?
Le astronavi
Mentre il concetto di conservazione della quantità di moto è rappresentato abbastanza fedelmente nelle situazioni di combattimento individuale in Starfield, si potrebbero notare alcune incongruenze quando si tratta del movimento delle astronavi nel gioco. In particolare, è comune vedere astronavi che devono mantenere i motori accesi per continuare a muoversi nello spazio. Questo, tuttavia, è in contrasto con le leggi della fisica, come vedremo.
Nel mondo reale, la propulsione di un’astronave funziona grazie alla conservazione della quantità di moto. Quando un motore a razzo espelle gas di scarico ad alta velocità in una direzione, l’astronave riceve una spinta nella direzione opposta. Qui, la quantità di moto dei gas di scarico che si allontanano dalla nave è uguale e opposta alla quantità di moto guadagnata dall’astronave. In altre parole, i vettori di quantità di moto dei gas e della nave si annullano a vicenda, conservando così la quantità di moto totale del sistema.
Una volta che un’astronave ha ottenuto questa spinta iniziale, dovrebbe teoricamente continuare a muoversi a quella velocità per un tempo indefinito, a meno che non sia influenzata da una forza esterna come la gravità. Non c’è bisogno di mantenere i motori accesi per continuare a muoversi nello spazio vuoto. Anzi, se l’astronave volesse fermarsi, avrebbe effettivamente bisogno di accendere nuovamente i motori, ma questa volta puntati nella direzione opposta al movimento, per annullare la sua quantità di moto e arrestare la sua avanzata.
Vale la pena notare che il bisogno di una spinta continua è ben giustificato in ambienti come l’atmosfera terrestre, dove i motori a reazione devono combattere contro l’attrito dell’aria. In questo contesto, l’attrito agisce come una forza esterna che rallenta l’aereo, motivo per cui è necessario mantenere i motori accesi per una propulsione costante. Tuttavia, questo scenario è notevolmente diverso dal vuoto dello spazio, dove non esiste attrito atmosferico per rallentare il movimento.
Quindi, mentre un aereo a reazione sulla Terra necessiterebbe di una spinta continua per mantenere una velocità costante, un’astronave nello spazio aperto non dovrebbe aver bisogno di motori costantemente accesi per la stessa ragione. La mancanza di attrito nello spazio dovrebbe consentire all’astronave di mantenere la sua velocità a meno che non sia influenzata da una forza esterna, come un altro corpo celeste o, nel contesto di un videogioco, una manovra evasiva o un attacco nemico.
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