Nino Martino, Carlo Ubertone
Il mondo è pieno di oggetti elastici, molle, elastici di gomma, archi per scoccare frecce, assi di legno, alberi che si piegano al vento, rami carichi di frutta, trampolini, calzamaglie, calzini… quale migliore occasione per fare un po’ di fisica sperimentale?
Le molle, le asticelle, le oscillazioni di tali oggetti ed anche le loro posizioni di equilibrio. Indagine sulle cause delle oscillazioni e delle situazioni di equilibrio.
Abbiamo preso un’asta, all’asta è fissata una molla, alla molla abbiamo appeso un peso. La molla si è allungata.
C’è una cosa che sembra facile ma che è in realtà abbastanza difficile. Abbiamo fatto la domanda: provate a descrivere cosa è successo e chiesto direttamente a turno di descrivere quello che era successo. Il primo interrogato ha risposto sicuro, baldanzoso e un po’ stupito, alla lettera:
“si è allungata!”
Esaminiamo bene, perché da qui nascono molte imperfezioni o mancanze o distorsioni nelle relazioni di laboratorio che fate e a cui noi diamo molta importanza. Supponiamo di fare una telefonata a un amico lontano e dirgli con voce concitata “si è allungata! Si è allungata!”. L’amico lontano probabilmente chiama chi di dovere per un ricovero coatto, così, perché tutto sommato vi vuole bene.
Non è sufficiente dire una cosa del genere. In che cosa consiste il fenomeno che stiamo osservando?
A turno avete provato e riprovato. I primi discorsi erano sgrammaticati, confusi, sovrapposti, incomprensibili a chi non aveva visto il fenomeno. Tutti noi eravamo presenti, quindi riuscivamo nella grande confusione di parole a capire comunque, ma il problema è che deve poterlo capire anche uno che non ha visto il fenomeno. Questo è cosa standard. Anche quando si scrive un articolo per una prestigiosa rivista scientifica del settore sulla propria ricerca si devono rispettare degli standard di comprensibilità e dare la possibilità alla comunità scientifica di poter ripetere l’esperimento e controllarne i risultati.
E nelle vostre relazioni di fisica finora abbastanza orribili manca completamente un discorso sintetico, chiaro, che faccia capire cosa avete veramente fatto (be’ certo, se non avete fatto niente è un altro discorso: il problema viene spostato su come non far capire che non si è fatto niente, ma non è stato generalmente il vostro caso per come vi abbiamo osservato).
Dopo diversi tentativi (sarebbe stato interessante registrare i vostri interventi, da un punto di vista didattico, purtroppo non lo abbiamo fatto) si è arrivati a una formulazione generale che potrebbe suonare così:
QUANDO a una molla appesa verticalmente appendo un peso, ALLORA essa si allunga.
Più in generale:
Quando succede A allora succede B.
Così detto è un po’ schematico ma funziona . Osservate come il fenomeno è descritto sinteticamente. Tutti possono capire cosa è successo e possono essere anche tentati di ripetere l’esperimento e se lo ripetono per conto loro ottengono lo stesso fatto. Non ci sono fronzoli inutili che non interessano nessuno come “il professore ci ha portato in laboratorio e ci ha mostrato una molla e poi…”. Queste cose sono l’equivalente di cercare di spiegare come avete risolto un problema di matematica in questo modo ” avevo appena mangiato, allora mi sono lavato i denti, prendendo uno spazzolino e il dentifricio, il XXX, che è molto buono e costa poco. Lo si trova nel tale supermercato ma non fatevi ingannare dalla pubblicità YYY… ecc. ecc.” e poi finalmente scrivete la soluzione del problema di matematica.
Beninteso esiste una tecnica “minimalista”, di origine americana, in cui la descrizione minuziosa di gesti quotidiani riesce a comunicare un senso di infinita disperazione. Ma qui stiamo facendo altro.
Appendendo il peso a una molla in due diversi modi si ottengono due fenomeni molto interessanti ma in un certo modo diversi.
Se faccio le cose adagio accompagnando la molla e il peso con la mano, la molla si allunga e poi si ferma. Senza il peso la molla aveva una sua lunghezza “propria”, “a riposo”, e quando c’è il peso attaccato ha una lunghezza differente. In entrambi i casi la molla è ferma. Ma c’è una relazione fra peso appeso e lunghezza della molla? Cosa succede se ad esempio io raddoppio il peso, triplico il peso e così via? Intuitivamente sapete già che si dovrebbe allungare di più. Ma che relazione c’è fra allungamento della molla e peso? Posso esprimere con una formula, con una equazione simbolica, i risultati delle misure che faccio, in modo che possa prevedere di quanto si allungherà nel caso io metta un peso senza fare l’esperimento?
Questo sarà l’argomento del vostro prossimo lavoro di laboratorio.
Invece se io appendo il peso alla molla senza la delicatezza precedente la molla oscilla avanti e indietro. L’abbiamo visto ed è in un certo senso sorprendente: perché la molla oscilla?
Qui c’è stato tutto un giro di ipotesi da parte vostra. Perché la situazione era così differente? La differenza stava, avete detto, su come veniva appeso il pesetto, e la differenza era che il peso adesso cadeva con una certa velocità (accelerazione? Non sappiamo bene ancora i termini e quindi sarà necessario definirli bene) e quindi la molla si allungava di più inizialmente. Ma perché tornava indietro?
Abbiamo messo a confronto e abbiamo visto che le oscillazioni avvenivano intorno a una certa posizione che era poi la stessa della molla con il peso appeso ma ferma.
Quando la molla è ferma con il peso attaccato è allungata fino a un certo punto. Perché si ferma l’allungamento proprio a quel punto? Dopo un po’ di ipotesi la situazione era chiara: il peso esercitava una forza verso il basso che faceva equilibrio alla forza “di richiamo” della molla diretta verso l’alto. E questo l’abbiamo visto con diversi tentativi. Ogni volta che due persone allungano la stessa molla ciascuna sente una forza che tira dalla propria mano verso l’altra persona.
Il peso esercita una forza verso il basso e la molla esercita una forza uguale e contraria diretta verso l’alto. Le due forze si fanno equilibrio e la molla è ferma. E’ l’allungamento che in qualche modo permette alla molla di esercitare una forza uguale e contraria. Che cosa siano esattamente le forze non è ancora molto chiaro, ne avete solo una idea approssimata dalla pratica quotidiana e dal comune parlare, vedremo molto meglio in seguito, costruendo la definizione scientifica di “forza”.
Abbiamo quindi definito la posizione in cui le due forze si bilanciano come posizione di equilibrio, punto di equilibrio. Tornando alla molla che oscilla intorno alla posizione di equilibrio, ora forse quello che accade è più chiaro: il peso mentre allunga la molla raggiunge la posizione di equilibrio, ma non si può fermare perché ha acquistato velocità, come alla fine alcuni di voi hanno detto, allora supera la posizione di equilibrio finché la molla non riesce a fermarlo. Ma in quella posizione la molla esercita una forza di richiamo superiore al peso, allora il peso torna indietro, ripassa dalla posizione di equilibrio ma di nuovo ha una certa velocità e non può fermarsi, va più in alto fino a che si ferma, ma in quella posizione la molla esercita una forza di richiamo minore della forza peso e allora il peso ritorna in basso ecc. ecc.
Se avete osservato le oscillazioni durano a lungo.
C’è qualche cosa di molto simile alle oscillazioni del pendolo. Quindi anche qui possiamo definire il periodo come il tempo che compie l’oggetto a fare una oscillazione completa. Non tutte le molle e non tutti i pesetti oscillano con lo stesso periodo, ne abbiamo visto un paio, in diverse situazioni.
Quali sono le variabili significative nell’oscillazione di una molla? Qui ci sono di nuovo diverse possibilità: l’ampiezza di oscillazione, il peso, la lunghezza della molla…
Questo sarà l’argomento del secondo prossimo lavoro vostro di laboratorio.
E anche qui dopo una serie di misure proveremo a scrivere una formula, a stabilire una equazione che collega due variabili (ma non vi diciamo per il momento quali). Questa equazione ci permette di prevedere il periodo della oscillazione quando l’altra variabile varia senza dover fare l’esperimento. Ci permette di costruire oggetti prevedendone il comportamento (per esempio un orologio a … molla).
Questo è il senso della teoria, della matematica, delle equazioni, di quell’insieme strano di simboli astratti che si combinano in un certo modo con certe regole per dare certi risultati, per prevedere, per permettere la costruzione di oggetti nuovi ( i vostri cellulari, checché vi abbiano detto NON crescono sugli alberi, oops non dovevamo togliervi delle illusioni, vero?).
Altra notazione: stiamo costruendo insieme il linguaggio scientifico. Quando io dico posizione di equilibrio (in tutte le lingue) tutta la comunità scientifica capisce cosa sto dicendo. Abbiamo costruito un termine che indica una cosa precisa e solo quella. E’ vero, avete tirato fuori altre possibili definizioni che erano equivalenti. Tra queste abbiamo scelto questo termine perché è quello adottato per intendersi quando si parla di scienza (e non solo).
Anche nelle relazioni, o quando sarete interrogati (tranquilli, arrivano anche le interrogazioni…) dovete usare i termini giusti e non di fantasia, questo permette un controllo reciproco per capire se stiamo dicendo le stesse cose, se stiamo “svarionando” allegramente o altro.
E vedremo che certe parole usate in fisica che sembrano normali hanno invece accezioni, significati, molto diversi da quello che è nel linguaggio comune.
Lascia un commento