Carlo Ubertone e Nino Martino

La gravitazione - introduzione

La legge di gravitazione universale non Ŕ per niente intuitiva nella pratica quotidiana

Genera segnalibro - Condividi

Esistono in natura dei fenomeni a cui ci siamo abituati nella vita quotidiana. Formano una sorta di concezione spontanea della fisica che viene utilizzata per sopravvivere.

Se si invita qualcuno a uscire dalla finestra di un 15 piano si otterrà un rifiuto netto. Eppure la persona n questione non ha mai fatto prima l’esperienza di gettarsi dal 15 piano. Non ne ha bisogno per capire la non convenienza del gesto.

Tutti noi siamo abituati fin dalla prima infanzia a osservare oggetti che cadano. Eppure il buon senso comune acquisito può provocare sorprese.

Prendiamo una tavoletta rigida di legno, o altro materiale. Sopra la tavoletta poniamo un pezzettino di carta, una gomma da cancellare, un temperamatite, un dado. Sono oggetti di forma e peso differente (anche se forse non sappiamo ancora esattamente cosa voglia dire la parola “peso”, non l’abbiamo ancora definita dal punto di vista fisico).

Cosa succede se facciamo cadere la tavoletta con gli oggetti sopra? Più esattamente: cosa succede agli oggetti posati sopra la tavoletta durante il tempo di volo? Quando la tavoletta tocca terra, ovviamente, c’è sparpagliamento. Ma durante la caduta come si comportano gli oggetti? Si staccano, procedono in diverso modo o cos’altro?
Le risposte abitualmente date è che ciascuno oggetto sopra la tavoletta ha il suo modo differente di cadere, a seconda del peso (e, raramente detto, della sua forma).

In realtà tutti i corpi rimangono attaccati alla tavoletta rigida fino al suolo.

Si pongono due domande:

1. perché gli oggetti cadono?

2. perché gli oggetti posti sulla tavoletta rigida cadono tutti nello stesso modo, mentre quando sono fatti cadere insieme ma liberi cadono in modi a volte assai differenti?

In genere si rimane interdetti alla prima domanda. È ovvio che gli oggetti cadono, perché non dovrebbero? Infatti agli albori della scienza si era postulato che “era nella natura dei corpi” cadere. Solo nel 1700 Newton si pose la stessa domanda ( ma per altri motivi, come vedremo) e fu costretto a elaborare una prima teoria della gravitazione. L’aneddoto della mela caduta dall’albero sulla sua testa è storicamente falso. L’idea nacque invece da un problema legato al moto dei pianeti.

Per spiegare il moto dei pianeti Newton dovette supporre che i corpi si attraggano vicendevolmente. Ogni corpo con la sua massa è attirato da un altro corpo e nello stesso tempo lo attira.

Questo non è per niente intuitivo. Se prendete in una mano un oggetto e nell’altra un altro oggetto, non provate nessuna forza di attrazione (in realtà c’è ma ci vuole uno strumento raffinatissimo per misurarla, più avanti parleremo della bilancia di Cavendish). Nello stesso tempo vi riesce difficile pensare che quando un oggetto cade al suolo l’intero pianeta Terra faccia un saltino in su verso l’oggetto (sempre più avanti potremo fare il calcolo di quanto la Terra si muova quando fate cadere per terra la vostra matita) .

La teoria della gravitazione NON si può ricavare inizialmente dall’osservazione locale. Newton, come vedremo, la ricavò osservando le traiettorie( che erano conosciute) dei pianeti e della terra intorno al sole. Nei suoi tre principi un oggetto non sottoposto a forze o è fermo o si muove di moto rettilineo uniforme. Ma Newton conosceva le leggi di Keplero sulle orbite dei pianeti intorno al sole. Perché i pianeti nel vuoto dello spazio percorrono traiettorie “curve”? O sono false le leggi di Keplero (ma ciò è impossibile perché descrivono ciò che realmente è verificato dall’osservazione astronomica) o sono falsi i principi della dinamica. A meno che … non esista una forza che agisca sui pianeti.

Nello studio della natura e nella costruzione della fisica, molte cose che sembrano ovvie a prima vista di fatto non sono ovvie affatto e l’approfondimento conduce a vere e proprie rivoluzioni. Altro esempio, più avanti, sarà il “tempo” e la sua misura. Sembra ovvio che la misura del tempo sia uguale in ogni riferimento, per qualunque osservatore. Non è quello che osserviamo tutti i giorni quando ci diamo un appuntamento? L’approfondimento della questione “tempo” porterà alla rivoluzione della relatività ristretta (nel 1912). Esattamente come l’approfondimento dello studio sulla caduta ovvia degli oggetti porterà alla gravitazione universale di Newton prima, alla relatività generale dopo, e via via ai buchi neri e … alla materia oscura.

Eseguiamo un secondo esperimento. Sulla tavoletta rigida di legno vengono posti due bastoncini come in figura. Un elastico in tensione li collega passando sotto la tavoletta. I due righelli rimangono fissi sulla tavoletta perché sono pesanti e l’elastico pur essendo in tensione non riesce a sollevarli.

La domanda è: cosa succede se, come fatto prima, lascio cadere la tavoletta?

Risposta: I due righelli divergono bruscamente durante la caduta.

Figura 3

Osservato un fenomeno bisognerebbe darne un’interpretazione. Perché succede quello che stiamo osservando? La domanda non è mai oziosa. Se io capisco il fenomeno, se riesco a ricavarne una “regolarità” di comportamento e se riesco a darne una formalizzazione simbolica in termini matematici allora posso costruire oggetti diversi che su quella legge fisica si basano. Posso prevedere il risultato di una classe di esperimenti (e verificarli) e costruire cose che in natura non esistono di per sé.

L’esperimento precedente verrà analizzato in seguito, quando avremo una maggiore formalizzazione acquisita sulla gravitazione. Anticipiamo solo che anche il fenomeno dell’astronauta che fluttua nella stazione spaziale ha alla base la stessa spiegazione.

Ecco cominque il video dell'esperimento:

Quesiti per la comprensione

1. Se io prendo due sferette dello stesso volume, una di legno o alluminio e l’altra di acciaio o piombo e le faccio cadere dalla stessa altezza rispetto al pavimento, quale delle due arriva per prima sul pavimento? Sapete motivare la vostra risposta? (eventuale figura)

2. Visto l’esperimento della tavoletta con i bastoncini e l’elastico, su una tavoletta fisso un trespolo. Al trespolo fisso un elastico e all’elastico fisso una sferetta pesante. L’elastico si tende e la forza elastica controbilancia perfettamente il peso della sferetta. Tutto è immobile. Faccio cadere liberamente tutto l’apparato. Sapreste descrivere cosa vi aspettate che succeda nel sistema in caduta libera?

3. Immaginate un sistema formato da una tavoletta e un pendolo fissato ad essa come in figura. Quando il sistema è in caduta libera il riferimento fisso ad esso è un riferimento inerziale o no (valgono i principi della dinamica)?

vai avanti di una pagina
aggiungi un commento

Logo e suggerimenti grafici: Emilie Barret - HTML : Nino Martino - Sviluppo del sistema di gestione dei contenuti (CMS): Roberto Puzzanghera

| login