La fisica fuori casa: Un fantastico viaggio alla scoperta delle leggi della natura

165 Pages·2013·1.16 MB·Italian

by  Emiliano Ricci

Emiliano Ricci
La fisica fuori casa
Un fantastico viaggio
alla scoperta delle leggi della natura
Illustrazioni a cura di Lorenzo Ghignone
www.giunti.it
© 2013 Giunti Editore S.p.A.
Via Bolognese 165 - 50139 Firenze - Italia
Via Borgogna 5 - 20122 Milano - Italia
ISBN: 9788809788039
Prima edizione digitale: giugno 2013
A Giulia e Leonardo, piccoli cultori di scienza;
a Ester, grande cultrice del “pensiero razionale”;
ai miei maestri, ovunque essi siano,
nel tempo e nello spazio.
Introduzione
Cinque anni fa pubblicammo La fisica in casa con l’intento di avvicinare i
lettori alla fisica in maniera un po’ meno tradizionale. Soddisfatto di
quell’esperimento, l’editore ha accolto la proposta di questo sequel, come
direbbero i cultori del cinema. Ed eccoci qua.
La fisica fuori casa riprende lo stile e la struttura che in certa misura hanno
decretato il successo del titolo che l’ha preceduta. Quindi niente ordine
tradizionale nella discussione dei vari argomenti di fisica. Si parla di meccanica,
fluidodinamica, gravitazione, termodinamica e altro ancora quando occorre
parlarne per descrivere il fenomeno fisico incontrato, e sempre in maniera la più
possibile leggera (ma non per questo meno rigorosa). Capita quindi di incontrare
gli argomenti in una sequenza diversa da quella dei libri di scuola o dei classici
trattati sull’argomento e, soprattutto, di vederli trattati più volte perché utili a
spiegare fenomeni diversi. Così si ottengono due risultati: da un lato la
ripetizione dell’argomento aiuta a comprenderlo meglio (repetita iuvant,
dicevano i latini), dall’altro vedere le stesse leggi utilizzate per spiegare due (o
più) fenomeni completamente diversi mette in evidenza l’universalità di queste
leggi e la vastità del loro campo d’azione.
Ma La fisica fuori casa porta con sé anche qualche differenza. Intanto nella
scelta degli argomenti. Mentre il libro precedente rimaneva nell’ambito della
fisica trattabile all’interno delle quattro mura domestiche, quello che avete in
mano racconta la fisica che vi capita di incontrare nelle vostre attività quotidiane
all’aperto, quando vi muovete con i mezzi di trasporto, fate sport, consultate le
previsioni meteo e altro ancora.
Una seconda differenza con l’altro titolo è che qui, volutamente, abbiamo
limitato il numero di argomenti affrontati in ogni capitolo, dando anzi loro più
spazio, per offrire al lettore un livello soddisfacente – almeno per noi, si intende
– di approfondimento. L’idea-guida è stata quella di presentare un quadro
sufficientemente completo, nei limiti del possibile, ovviamente, dei temi toccati.
Mentre nella Fisica in casa abbiamo affrontato un ventaglio molto ampio di
argomenti, alcuni dei quali trattati in maniera piuttosto essenziale, qui si è
privilegiata la profondità, a scapito naturalmente dell’estensione (il numero di
pagine era fissato dall’editore!). Due impostazioni diverse e in un certo senso
complementari: speriamo che vi piacciano entrambe.
La terza importante differenza con il precedente titolo è che qui si parla molto
meno di tecnologia e di fisica moderna, avendo preferito lo studio e
l’osservazione di fenomeni che si spiegano con la fisica classica (pur con
qualche eccezione). Immaginiamo la delusione di qualche lettore, ma proviamo a
motivare la nostra scelta. Innanzi tutto siamo convinti che per comprendere i
temi di fisica avanzata sia opportuno avere una buona infarinatura degli
argomenti di fisica classica. Termini come attrito, accelerazione, forza, energia,
pressione e molti altri che incontrerete in queste pagine, trovano la loro
spiegazione proprio nella fisica classica. È impossibile parlare di energia di una
particella se prima non si sa che cosa si intende per energia di un corpo
macroscopico, perché quella è l’estensione (a livello microscopico) di questa.
Meglio dunque avere chiara questa, piuttosto che avere idee confuse su
entrambe. Lo stesso ragionamento vale per innumerevoli altri concetti. Inoltre
abbiamo deciso di non illudere i lettori facendo finta di spiegare loro concetti
astrusi, come accade in tanti libri che parlano di fisica “di frontiera”, e
lasciandoli nell’illusione di averli compresi. Abbiamo preferito, seppure con
qualche “divagazione” (in particolare nell’ultimo capitolo), rimanere nel
concreto dell’esperienza quotidiana. La quale si spiega in massima parte con
poche semplici leggi, molte delle quali risalenti a Newton e poco oltre.
Ovviamente ci siamo presi la libertà assoluta di scegliere gli argomenti da
affrontare, senza alcuna pretesa di completezza (non ne avremmo avuto la
possibilità). I temi trattati in queste pagine riflettono quindi un po’ il gusto
personale dell’autore e un po’ il fatto di essere stati scelti perché utili a spiegare
una certa legge o un dato principio. Siamo consapevoli che avremmo potuto
scrivere altrettante pagine – anzi, molte di più – toccando tanti altri fenomeni
fisici che si incontrano nelle nostre attività outdoor. Li teniamo da parte per
un’eventuale altra pubblicazione. Speriamo soltanto che quelli che trovate qua
siano sufficienti a solleticare la vostra curiosità per la scienza e per la fisica in
particolare, e che vi stimolino ad approfondirle con altre e più ampie letture.
Se fossimo riusciti nel nostro intento, potremmo ritenerci soddisfatti. Ma
ancora più soddisfatti saremmo se i nostri lettori comprendessero la meraviglia
della ragione umana, grazie alla quale noi siamo in grado di applicare un
metodo, quello scientifico, che ci permette di capire come funziona la Natura,
andando anche oltre il senso comune, addirittura superando le illusioni che ci
costruiamo per spiegare fenomeni che non conosciamo. Un metodo che,
tracciato dal nostro Galileo Galilei, permette agli scienziati di migliorare sempre
la conoscenza del mondo che ci circonda, offrendo al contempo le contromisure
per evitare errori o, comunque, per riconoscerli e circoscriverli. Un metodo che
si applica alla scienza, ma che gioverebbe assai applicare anche in altri ambiti.
Perché, come il poeta e commediografo tedesco Bertolt Brecht (1898-1956) fa
dire a Galileo nel suo celebre dramma teatrale Vita di Galileo, «scopo della
scienza non è tanto quello di aprire una porta all’infinito sapere, quanto quello di
porre una barriera all’infinita ignoranza».
I
La fisica dei trasporti
... ovvero di biciclette, motori, navi
L’uomo ha sempre desiderato muoversi, spostarsi dal suo luogo d’origine per
scoprirne e conquistarne di nuovi (dall’invasione dell’America allo sbarco sulla
Luna) o anche solo visitarli, come facciamo noi da turisti. Uno dei più grandi
sforzi dell’ingegno umano è stato da sempre rivolto all’ideazione di mezzi che
potessero agevolare e rendere sempre più veloci questi spostamenti. Nell’arco
dei millenni sono stati inventati migliaia di mezzi di trasporto, alcuni impossibili
da usare – come il progetto di elicottero, o “vite aerea”, disegnato da Leonardo
da Vinci (1452-1519) – o caduti rapidamente in disuso, altri ancora oggi
diffusissimi e impiegati quotidianamente da milioni di persone. Tutti questi
mezzi sottostanno a precise leggi fisiche, anzi sono proprio queste a garantire il
loro funzionamento. Ciò che segue è una rassegna di certi princìpi fondamentali
della fisica prendendo spunto da alcuni mezzi di trasporto come la bicicletta,
l’automobile, l’aereo e la nave.
U
N GIRO IN BICICLETTA
Una versione un po’ più evoluta della celebre frase «facile come bere un
bicchier d’acqua» è «facile come andare in bicicletta». Tutti sanno che, una volta
che si è imparato ad andare in bicicletta, è quasi impossibile disimparare. Anche
se non salite su una bicicletta da anni, provateci alla prossima occasione: vi
accorgerete subito che dei graffi sulle ginocchia accumulati in gioventù avete
fatto ampiamente tesoro e non sarà un problema restare in equilibrio… a patto di
pedalare, ovviamente, perché una bicicletta in piedi da sola non riesce a stare, a
meno che non abbia le ruotine (quelle che si mettono alle bici dei bambini) o sia
appoggiata al cavalletto!
Che cosa rende stabile una bicicletta? Ovvero, come è possibile restare in
equilibrio quando siamo in movimento, mentre è praticamente impossibile farlo
quando la bicicletta è ferma? Per quanto possa sembrarvi incredibile, ancora
oggi la scienza non è in grado di dare risposte definitive a queste domande,
benché la fisica che riguarda l’equilibrio e la stabilità della bicicletta sia la cara,
vecchia meccanica classica, quella avviata dal britannico Isaac Newton (1643-
1727) nella seconda metà del XVII secolo e sviluppata nei due secoli successivi
da studiosi come l’italo-francese Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), il tedesco
Carl Gustav Jacob Jacobi (1804-1851), l’irlandese William Rowan Hamilton
(1805-1865) e altri matematici e fisici di varie nazionalità.
Insomma, benché il problema della stabilità della bicicletta sia affrontabile con
i (relativamente) semplici strumenti della fisica newtoniana, la sfida – raccolta
nel corso del XX secolo da molti matematici e fisici, taluni anche celebri, come
per esempio il tedesco Arnold Sommerfeld (1868-1951), fra i fondatori della
meccanica quantistica – di comprendere il motivo per cui non si cade quando si
va in bicicletta non è ancora stata vinta. Sorprendente, vero? Sappiamo
descrivere con estrema precisione l’evoluzione dell’Universo e gli urti fra
particelle subatomiche e non sappiamo ancora spiegare come si fa ad andare in
bicicletta – almeno dal punto di vista della fisica. In pratica, se qualcuno ce lo
chiedesse, non saremmo in grado di fornirgli il manuale di istruzioni!
Una questione di equilibrio
Gli studi sulla stabilità della bicicletta sono innumerevoli, dicevamo, e sono
anche incredibilmente densi di formule abbastanza complicate. Alcuni partono
anche da ipotesi divertenti, necessarie per semplificare il sistema da studiare,