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fisica:esperienze:bilance_spaziali

LAB2GO Scienza

Applicazione oscillatore armonico:bilance spaziali

Introduzione al problema

Una possibile e utile applicazione dei concetti dell’oscillatore armonico libero si ritrova nei meccanismi di funzionamento delle bilance, installate nei veicoli spaziali abitati dagli astronauti durante le missioni nello spazio. Gli astronauti hanno tempi di permanenza nello spazio che possono superano anche i sei mesi. Durante questi lunghi periodi di tempo, il corpo degli astronauti è sottoposto a uno stress fisico notevole. La condizione di microgravità ( cioè il fatto che si trovano in costante caduta libera attorno all’atmosfera terrestre) è causa di significativi cali di peso. A causa dei rischi che ciò comporta, gli astronauti prevengono l’emergenza sottoponendosi a un rigido programma di controllo delle loro condizioni, studiato per ridurre al minimo i danni causati dagli effetti della perdita di peso. Il programma di “prevenzione e manutenzione” prevede, oltre che una ferrea dieta alimentare, anche di tenere sotto stretta osservazione le variazioni del peso corporeo. Ma a questo punto sorge un problema: come pesarsi nello spazio?

Bilance spaziali

Sulla International Space Station (ISS) ci sono due bilance: una di costruzione russa, la Body Mass Measurement Device (BMMD), e una americana, la Space Linear Acceleration Measurement Device (SLAMMD).

BMMD: principio di funzionamento

Il meccanismo di trasduzione della BMMD è costituito da un sistema di molle oscillanti. L’astronauta che si sottopone alla “pesata” si aggrappa con le mani e con i piedi a degli appositi supporti, in modo da tenere il petto premuto contro l’estremità piatta dello strumento. Le molle generano una spinta nota (F) che produce un periodo di oscillazione $T_N$ altrettanto noto. Quando l’astronauta si aggrappa al dispositivo e le molle sono lasciate libere, il moto della macchina è rallentato dal fatto che il meccanismo deve spostare anche la massa supplementare del corpo dell’astronauta. La macchina è in grado di confrontare il tempo di oscillazione misurato con la massa inerziale dell’astronauta, $T_M$ con il tempo di oscillazione del sistema a vuoto $T_N$. Facendo le medie di diverse pesate, alla fine la bilancia determina la massa della persona e la traduce nell’unità di misura del Sistema Internazionale, kg, corrispondente a quello che tale massa avrebbe, se pesata su una comune bilancia nel campo gravitazionale della Terra.

Figure 1: BMMD del 1979

SLAMMD: principio e Funzionamento

La SLAMMD si basa invece su un principio fisico e di trasduzione della misura diverso. Anche nella SLAMMD l’astronauta deve aggrapparsi attraverso dei supporti all’estremità del dispositivo, ma in questo caso la “pesata” non avviene per mezzo di una serie di oscillazioni. Il braccio della bilancia, contenente due molle vincolate a un albero a camme, viene esteso e tenuto fermo da un elettromagnete. Quando l’elettromagnete viene spento, le molle “riavvolgono” il braccio verso la parete di supporto, mentre dei lettori ottici leggono istante per istante la posizione. Il sistema è concepito in modo che le molle producano, durante tutta la loro corsa, una forza costante pari esattamente a 22.2 N. Il meccanismo risiede nel fatto che la forza esercitata dalle molle è costante. In questo modo la massa dell’astronauta può essere determinata sfruttando la seconda legge della dinamica: F=ma. Se, dunque, la forza è uguale alla massa per l’accelerazione, vuol dire anche che la massa è uguale alla forza diviso l’accelerazione: m=F/a. Pertanto, se conosciamo la forza applicata a una massa — la massa è quella dell’astronauta da pesare, nel nostro caso — e l’accelerazione che si sviluppa nel tempo in cui il braccio si riavvolge (monitorata dai lettori ottici), la macchina ricava la massa dell’astronauta.

Figure 2: Esempio utilizzo SLAMMD da un astronauta

Sitografia

Link Descrizione
Smithsonian National Air and Space MuseumInformazione dispositivi di peso storici


fisica/esperienze/bilance_spaziali.txt · Ultima modifica: 2020/11/18 13:05 (modifica esterna)