LABORATORIO 1: LE LEGGI DI NEWTON
In questo laboratorio vogliamo fare in modo che i ragazzi familiarizzino con la prima e la seconda
legge della dinamica. Utilizzeremo un disco metallico con base molto liscia forato sul fondo
contenente ghiaccio secco (biossido di carbonio allo stato solido).
A temperatura ambiente tale biossido da solido sublima e si trasforma in vapore uscendo così dal
foro sottostante. Tra il disco e il piano di appoggio si crea uno strato di vapore che riduce l’attrito a
valori trascurabili. Lanciando il disco su una superficie vetrata con una certa velocità iniziale si
nota che il disco procede nel suo moto con una velocità costante non essendoci alcuna forza che
agisce su di esso, tutto ciò in accordo con il primo principio della dinamica.
E’ possibile osservare gli stessi effetti utilizzando oggetti molto più comuni che tutti possono
procurarsi con facilità. Abbiamo bisogno di un CD, un tubicino con diametro poco inferiore al buco
centrale del CD, del silicone, un palloncino di media grandezza e una superficie liscia. Con il
silicone fissiamo il tubicino dentro al buco del CD come in figura e aspettiamo che il silicone di
indurisca.
Gonfiamo quindi un palloncino e cercando di non disperdere troppa aria lo posizioniamo sopra il
tubicino. Appoggiamo il tutto su una superficie liscia e notiamo che imprimendogli una velocità
iniziale il nostro oggetto si muove a velocità circa costante senza risentire della forza d’attrito. Ciò
accade perché l’aria fuoriuscendo dal foro sottostante crea un cuscinetto d’aria tra il CD e la
superficie che inibisce la forza d’attrito. La prima foto è stata ottenuta dalla sovrapposizione delle
foto successive. Le foto sono state scattate a intervalli regolari. Possiamo notare che le distanze tra
le posizioni del palloncino a istanti diversi sono circa costanti, ciò ci permette di dire che il nostro
oggetto si muove con un moto rettilineo uniforme e quindi a velocità costante, in accordo con il
primo principio della dinamica.
Proseguiamo con un ulteriore esperimento. Vogliamo fare in modo che il nostro oggetto sia
soggetto a una forza costante, per fare ciò attacchiamo a esso un filo in fondo al quale poniamo un
pesetto e tramite una piccola carrucola facciamo in modo che il sistema si muova di moto rettilineo
uniformemente accelerato. La seguente foto è stata ottenuta dalla sovrapposizione delle successive,
scattate a intervalli regolari. Possiamo notare che ora le distanze tra le posizioni del palloncino a
istanti diversi non sono più uguali ma aumentano all’aumentare del cammino percorso. La velocità
aumenta in modo regolare, ciò ci permette di dire che il nostro oggetto si sta muovendo con un
moto rettilineo uniformemente accelerato, quindi ora è l’accelerazione a essere costante. In accordo
con il secondo principio della dinamica abbiamo applicato una forza a un corpo e esso subisce
un’accelerazione.
LABORATORIO 2: I RIFERIMENTI INERZIALI
In questo laboratorio vogliamo mostrare che le leggi della dinamica valgono soltanto se il moto dei
corpi viene studiato rispetto a sistemi di riferimento inerziali. Un sistema di riferimento si dice
inerziale quando la terna di riferimento è solidale a corpi fissi nello spazio oppure a corpi che si
muovono di moto rettilineo uniforme. Ma poiché tutti i corpi che ci circondano sono animati da
moti rotatori, non esistono sistemi esattamente inerziali. Neppure la terna di riferimento avente
origine nel sole e i tre assi orientati verso tre stelle lontane dell'universo, appartiene ad un sistema
inerziale, perché il sole ruota rispetto al centro della via lattea alla velocità di 200 Km/s. In genere,
per lo studio del moto di corpi poco estesi, viene assunto come sistema di riferimento inerziale un
sistema la cui terna di assi è solidale con il centro della terra e ciò in considerazione del fatto che la
velocità angolare della terra è molto piccola.
L'esperimento consiste nell'accelerare un carrello sul quale è poggiato un disco a ghiaccio secco.
Se studiamo il moto del disco rispetto al carrello ci accorgiamo che esso passa dalla posizione di
quiete a quella di moto senza che gli sia stata applicata alcuna forza, contraddicendo, quindi, i primi
due principi della dinamica.
Poniamo la terna (x,y,z) solidale al tavolo mentre la terna (x',y',z') solidale al carrello.
Un osservatore solidale con la terna di riferimento (x,y,z) vede il disco rimanere fermo quando il
carrello avanza, mentre un secondo osservatore che guarda le immagini riprese dalla telecamera,
solidale con il carrello cioè con la terna (x',y',z') vede il disco spostarsi verso l'obiettivo.
Il secondo osservatore vede il disco muoversi senza che ad esso sia stata applicata alcuna forza e,
quindi, ne deduce che le leggi della dinamica sono errate. In realtà l'apparente contraddizione
risiede nel fatto che il sistema di riferimento della telecamera (x',y',z') è un sistema di riferimento
accelerato e in un sistema non inerziale le leggi della dinamica, come detto in precedenza, non sono
valide.
Possiamo realizzare anche questo esperimento riutilizzando l’oggetto costruito in precedenza e un
carrellino che nel nostro caso si tratta di una fioriera con le ruote. Posizioniamo sopra la fioriera una
piano liscio, gonfiamo il nostro palloncino e lo mettiamo sopra il piano. Sottoponiamo la fioriera a
una forza e notiamo che osservando il sistema da una posizione esterna il nostro palloncino rimane
fermo. Ciò si può vedere dalle seguenti foto scattate a intervalli regolari di un secondo.
LABORATORIO 3: LA RELATIVITÁ GALILEIANA
In questo laboratorio vogliamo verificare la validità delle trasformazioni di Galilei e mostrare che
con esperimenti di meccanica non è possibile determinare lo stato di moto di un sistema di
riferimento inerziale. Utilizziamo un sistema composto da un disco a ghiaccio secco sul quale è
montata una telecamera e un dispositivo che sorregge una pallina. Il sistema è posto sopra una
superficie vetrata solidale a una seconda telecamera (vedi figura).
Le telecamere riprenderanno il moto della pallina ma da due sistemi di riferimento diversi però
entrambi inerziali. Imprimiamo al disco una velocità iniziale e facciamo in modo che il dispositivo
lasci cadere la pallina verso il basso. La telecamera solidale al disco mostrerà la pallina che si
muove perpendicolarmente al disco, mentre l’altra telecamera mostrerà un moto parabolico della
pallina.
Questo ci mostra che se abbiamo due sistemi di riferimento, uno fermo e uno che si muove a
velocità costante il moto di un oggetto è diverso a seconda del sistema di riferimento in cui mi
trovo. Il moto parabolico è dovuto alla composizione di due moti: moto rettilineo uniformemente
accelerato lungo l’asse z (accelerazione = accelerazione di gravità) e moto rettilineo uniforme lungo
l’asse x. Analizzando il moto della pallina con le trasformazioni di Galilei otteniamo
matematicamente gli stessi risultati. Osserviamo ora le immagini della telecamera posta sul disco a
ghiaccio secco che si muove a velocità costante, la pallina come già detto cade verso il basso
perpendicolarmente al disco, non notiamo nessun altro tipo di moto e possiamo dire che ci troviamo
su un sistema in movimento solo perché lo sfondo si muove. Ma se ripetessimo lo stesso
esperimento in una stanza buia con una pallina fluorescente non poteremmo distinguere se il
sistema è fermo o si muove a velocità costante, quindi con esperimenti di meccanica non è possibile
determinare lo stato di moto di un sistema.
LABORATORIO 4: MISURARE LA VELOCITÁ DELLA LUCE
Il forno a microonde utilizza onde a una particolare frequenza per eccitare molecole di acqua.
Poiché l'acqua è presente in molti cibi e bevande, questo significa utilizzando un forno di questo
tipo possiamo riscaldare velocemente molti alimenti. Il fatto che le microonde sono ora facilmente
disponibili per la maggior parte di noi e hanno una lunghezza d’onda di pochi centimetri, significa
che è possibile misurare la velocità della luce in casa. Per il nostro esperimento utilizzeremo un
forno a microonde di frequenza nota (il nostro ha una frequenza di 2450 MHz), circa 50
marshmallows, un contenitore di plastica e un righello. Innanzitutto posizioniamo i marshmallows
sulla superficie del contenitore uno vicino all’altro.
.
Prima di iniziare è necessario rimuovere dal microonde il piatto girevole perchè se no l’esperimento
non funziona. Ora inseriamo il tutto nel microonde e impostiamo la potenza al minimo e il timer a
10 minuti.
Accendiamo il microonde. Osserviamo attentamente i marshmallows e vediamo che succede: dopo
poco tempo notiamo che i marshmallows si muovono ma solamente in alcuni zone e
successivamente cominciano a sciogliersi nelle stesse zone. Spegniamo il microonde e estraiamo il
contenitore. I marshmallow si sono sciolti ma non in modo uniforme, si dovrebbe vedere uno
schema regolare tra aree sciolte e non. L’apparecchio genera microonde che molto rapidamente
formano onde stazionarie all’interno del forno. Normalmente dentro il microonde il cibo che ruota
passa attraverso le creste delle onde stazionarie, ciò eccita le molecole d’acqua presenti e produce il
riscaldamento. Nel nostro caso invece i marshmallows sono fermi e quindi solo determinate zone
sono attraversate dalle creste delle onde stazionarie. Misuriamo con il righello la distanza tra i
centri delle due parti fuse dei marshmallows, perché questa è la distanza tra le due creste dell’onda.
Infine è necessario conoscere la frequenza con cui il forno a microonde opera, solitamente è scritta
sul retro. La maggior parte dei forni a microonde standard funziona a 2450 MHz. Ora tramite la
seguente equazione:
Velocità di un'onda (c) = frequenza (ν) x Lunghezza d'onda (λ)
Possiamo calcolare la velocità della nostra onda e quindi la velocità della luce. La distanza tra le
sezioni sciolte dei marshmallows è infatti λ / 2, perché ci sono due creste per ogni onda.
λ = (12,0 ± 0,5) cm
c = (294000 ± 10000) Km/s
Il valore concordato della velocità della luce nel vuoto è 299.792.458 metri al secondo.
