Eccentricità

La parola deriva dal latino tardo eccentricus, a sua volta dal greco ἔκκεντρος (ékkentros, “fuori dal centro”), composto da ἐκ- (“fuori da”) e κέντρον (“centro”).

Definizione

In meccanica celeste e geometria, l’eccentricità, indicata generalmente con la lettera $e$, è un parametro adimensionale che determina quanto l’orbita di un corpo celeste devia dalla forma circolare. In termini più semplici, essa misura quanto l’ellisse orbitale è ‘schiacciata’ rispetto a una circonferenza perfetta.

Calcolo dell’eccentricità#

L’eccentricità nasce nello studio delle sezioni coniche, cioè delle curve ottenute dall’intersezione di un piano con un cono. Per un’ellisse essa è legata al semiasse maggiore $a$ e al semiasse minore $b$ dalla relazione:

$$ e = \sqrt{1 - \frac{b^2}{a^2}} $$

A titolo di esempio, applichiamo la formula all’orbita terrestre, usando i dati noti per il semiasse maggiore dell’orbita $a$, che corrisponde all’unità astronomica ($\text{au}$), e il semiasse minore dell’orbita $b$, entrambi espressi in km:

$$ e_{\text{Terra}} = \sqrt{1 - \frac{{(\approx 149\,577\,000)}^2}{{(\approx 149\,598\,000)}^2}}\approx 0,01675 $$

Il risultato ottenuto è in ottimo accordo con il valore canonico di $0,0167$.

Un dato rimarchevole che emerge dai dati usati per questo calcolo è che l’orbita terrestre è una circonferenza quasi perfetta: la differenza tra i due semiassi, lunghi quasi 150 milioni di km, è infatti di appena $21\,000\;\mathrm{km}$.

Dalla distanza focale all’eccentricità#

Un altro modo di calcolare l’eccentricità di un’orbita ellittica è calcolare il rapporto tra la distanza focale $c$ (la distanza dal centro a ciascun fuoco dell’ellisse) e il semiasse maggiore $a$, secondo la relazione:

$$ e= \frac{c}{a} = \frac{\sqrt{a^2 - b^2}}{a} $$

In pratica, $c$ si ottiene applicando il teorema di Pitagora alle misure dei due semiassi dell’orbita. Eseguiamo anche in questo caso un calcolo esemplificativo, usando ancora una volta i dati dell’orbita terrestre:

$$ e_{\text{Terra}}= \frac{c}{a} = \frac{\sqrt{(149\,598\,000) ^2 - (149\,577\,000)^2}}{149\,598\,000}\approx 0,01675 $$

Otteniamo lo stesso risultato del calcolo precedente, $e \approx 0,01675$, con in più la determinazione della distanza focale $c$, che per l’orbita terrestre, è uguale a:

$$ c\approx\sqrt{(149\,598\,000) ^2 - (149\,577\,000)^2}\approx 2\,507\,000\;\mathrm{km} $$

Tale risultato indica che il fuoco occupato dal Sole nell’orbita terrestre dista poco più di $2,5$ milioni di $\text{km}$ dal centro esatto dell’ellisse orbitale. Ciò spiega anche la differenza tra la distanza della Terra dal Sole all’afelio e quella al perielio. La prima, infatti, si ottiene sommando al semiasse maggiore dell’orbita $a$ ($149\,598\,000\;\mathrm{km}$) la distanza focale del Sole, la seconda sottraendo al medesimo semiasse $a$ la distanza focale del Sole:

$$ \begin{aligned} r_{\text{afelio}}=149\,598\,000+2\,507\,000=152\,105\,000\;\mathrm{km} \\ r_{\text{perielio}}=149\,598\,000-2\,507\,000=147\,091\,000\;\mathrm{km} \end{aligned} $$

Se si conoscono già periastro e apoastro#

Dai precedenti rapporti deriva anche un altro metodo di calcolare l’eccentricità $e$ di un’orbita ellittica, se si conoscono già le distanze dal corpo centrale all’apoastro e al periastro (o all’afelio e al perielio nel caso del Sole):

$$ e = \frac{r_{\text{afelio}} - r_{\text{perielio}}}{r_{\text{afelio}} + r_{\text{perielio}}}, $$

Anche qui, usiamo i dati della Terra per un calcolo esemplificativo:

$$ e_{\text{Terra}} = \frac{152\,105\,000 - 147\,091\,000}{{152\,105\,000 + 147\,091\,000}}\approx 0,01675 $$

Otteniamo anche in questo caso un valore di $e$ perfettamente in linea con il dato ufficiale citato in letteratura ($e = 0,0167$).

Il valore di $e$ determina univocamente il tipo di traiettoria di un corpo nello spazio:

Orbita circolare#

$e = 0$: orbita circolare perfetta. Non ci sono due fuochi separati, ma un unico centro.

Un'orbita perfettamente circolare
Figura 1 — In un’orbita circolare non sono distinguibili né il pericentro né l’apocentro.

Orbita ellittica#

$0 < e < 1$: orbita ellittica. È il caso di tutti i pianeti del Sistema Solare, dei pianeti nani e delle comete periodiche. Più e si avvicina a 1, più l’ellisse è “schiacciata”.

Orbita ellittica con il Sole in uno dei fuochi, pericentro e apocentro
Figura 2 — Orbita ellittica: il corpo centrale occupa uno dei fuochi e l’eccentricità è compresa tra 0 e 1.

Traiettoria parabolica#

$e = 1$: traiettoria parabolica. È un’orbita aperta di fuga: il corpo ha esattamente la velocità di fuga necessaria per sottrarsi all’attrazione del corpo centrale.

Un corpo su un'orbita parabolica non rimane vincolato al corpo che lo attrae, ma dopo il passaggio al pericentro si allontana indefinitamente.
Figura 3 — Un corpo su un’orbita parabolica non rimane vincolato al corpo che lo attrae, ma dopo il passaggio al pericentro si allontana indefinitamente.

Traiettoria iperbolica#

$e > 1$: traiettoria iperbolica. È un’orbita aperta tipica degli oggetti interstellari come ‘Oumuamua e Borisov. È il tipo di traiettoria seguita da corpi che attraversano il Sistema Solare ad una velocità talmente elevata che la gravità solare non è in grado di catturarli.

Un oggetto in allontanamento dal corpo centrale lungo una traiettoria iperbolica
Figura 4 — Un esempio reale di traiettoria iperbolica è stata quella seguita dall’oggetto interstellare 1I/2017 U1 (‘Oumuamua), scoperto nel 2017, che attraversò il Sistema Solare con un’eccentricità di circa $1,19$ prima di allontanarsi per sempre verso lo spazio interstellare.

I vincoli fisici dell’eccentricità#

Dal punto di vista fisico, l’eccentricità è strettamente legata all’energia orbitale specifica $\varepsilon$ (epsilon) e al momento angolare specifico $h$ del corpo orbitante. La relazione è:

$$ e = \sqrt{1 + \frac{2\varepsilon h^2}{\mu^2}}, $$

dove $\mu$1 è la costante gravitazionale standard del corpo centrale.

Va notato che, per effetto delle perturbazioni gravitazionali e, nel caso di Mercurio, della relatività generale, l’eccentricità e l’orientamento dell’orbita possono variare lentamente nel tempo (precessione degli apsidi).

In sintesi, un’eccentricità elevata implica che il corpo subirà variazioni cinematiche e termiche estreme nel corso della sua rivoluzione: la sua velocità orbitale oscillerà drasticamente tra il valore massimo all’apocentro e quello minimo al pericentro, in accordo con la seconda legge di Keplero. Un esempio è la cometa di Halley, la cui eccentricità è $0,9671$, un valore prossimo a $1$.


  1. $\mu = GM$, in cui $G$ è la costante di gravitazione universale e $M$, nel caso di corpi del Sistema Solare, la massa del Sole. ↩︎

Commenti

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