Pendolo di Newton - Provincia di Lucca

Isituto Tecnico Commerciale e Turistico "Carlo
Piaggia" - Viareggio
Pendolo di Newton
Cosa osservare:
Se si lascia cadere una o più sferette contro le altre, quella
situata all'estremità opposta si mette in moto con la
stessa velocità, mentre quella lanciata si ferma e le intermedie
non si muovono. Se se ne lasciano cadere due, si metteranno
in moto le due situate all'estremità opposta, mentre quella
centrale resta ferma, e così via.
Come funziona:
L’esperimento è una dimostrazione della conservazione
dell’energia cinetica e della quantità di moto negli urti
elastici. Senza entrare nei dettagli del calcolo, il risultato ci dice
che le biglie durante l'urto si scambiano le velocità: quella in
moto si ferma e l'altra assume la stessa velocità che aveva la
prima al momento dell'urto, sempreché le masse delle due
biglie siano uguali e l’urto sia centrale. A questo punto la
quantità di moto si trasferisce di biglia in biglia fino a fino a
quella libera all’estremità, che quindi assume la velocità e
raggiunge l’altezza di lancio della biglia iniziale. Se le biglie
lasciate sono più d’una, basta considerare gli urti come se
avvenissero in istanti successivi.
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Figure di Plateau
Cosa osservare:
Immergendo le figure nell’acqua saponata ed estraendole
delicatamente, si osserveranno su di esse delle pellicole di
sapone che formano delle superfici il cui contorno è
determinato dallo scheletro metallico. Si può verificare che tali
superfici soddisfano la proprietà di avere area minima tra tutte
le superfici aventi quel dato contorno.
Come funziona:
Il motivo per cui la pellicola si dispone sempre e solo nelle
configurazioni osservate è dovuto al fatto che ciascuna di esse
rappresenta una configurazione di energia minima. La forza
che guida lo stabilirsi di tali conformazioni è la tensione
superficiale, ovvero la risultante delle forze di coesione del
liquido; grazie ad esse, quest’ultimo è come se fosse ricoperto
da una specie di “pellicola”. I saponi hanno l’effetto di
abbassare la tensione superficiale dell’acqua aumentandone la
capacità di formare bolle. Nella figura cubica, con un po’ di
attenzione si può generare la formazione della proiezione
tridimensionale dell’ipercubo o tesseratto, ovvero il cubo in 4
dimensioni.
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Paradosso meccanico
Cosa osservare:
Disponendo il fuso sul fondo del doppio piano inclinato, si
osserva che esso si muove verso la sommità del piano,
contrariamente a quanto le leggi della gravità (e il senso
comune) farebbero presupporre.
Come funziona:
Nel loro moto nel campo della gravità terrestre, gli oggetti si
muovono (se possibile) in modo che il loro baricentro, ovvero
il punto in cui è applicata la forza peso, si diriga verso il basso,
ovvero verso il centro della Terra. Nel caso del paradosso
meccanico, la risultante delle forze e delle coppie di forze
applicate al fuso è tale che nel procedere verso la sommità del
piano inclinato il suo baricentro si abbassa, come può essere
verificato ponendosi di lato mentre il fenomeno si verifica:
quindi in realtà l’immagine che sfida il senso comune non è
altro che un’illusione ottica. Affinchè il fenomeno si verifichi,
però, è necessario che siano rispettate delle condizioni sugli
angoli di apertura del fuso e del piano inclinato.
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Radiometro solare (o di Crookes)
Cosa osservare:
Illuminando l’oggetto con luce solare oppure una luce “calda”,
ad esempio quella di una lampadina ad incandescenza, le pale
iniziano a ruotare, tanto più rapidamente quanto maggiore è
l’intensità della luce. Se invece lo si illumina con una luce
“fredda” (tubi al neon oppure LED) le pale non ruotano.
Come funziona:
Per anni il radiometro di Crookes è stato un “caso” scientifico,
sul quale sono state fatte molte ipotesi errate, tra cui quella
che attribuisce il moto delle pale alla “pressione di radiazione”,
ovvero il trasferimento di quantità di moto dei fotoni alle pale.
I fatti che nell’ampolla sia contenuta aria a bassa pressione e
che le pale abbiano una superficie coperta di nero fumo e
l’altra grezza e quindi chiara, hanno suggerito, erroneamente,
che il moto fosse dovuto alla differente pressione che le
molecole di aria a differente temperatura esercitano sulle due
facce. La spiegazione più accreditata è invece quella di
Maxwell, che coinvolge un complicato fenomeno noto come
“scorrimento termico”. In ogni caso è importante il contributo
della radiazione infrarossa, il che spiega perché con luce
“fredda” il fenomeno non si verifichi.
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Diapason accoppiati (con canne sonore)
Cosa osservare:
Ponendo i due diapason distanti e percuotendone uno, si
osserva che si mette in vibrazione anche l’altro, cosa che può
essere verificata arrestando la vibrazione del primo con una
mano. Il diapason può essere messo in vibrazione anche
suonando una delle canne (quella più chiara), mentre con
l’altra non succede.
Come funziona:
I due diapason sono “accoppiati”, cioè hanno la stessa identica
frequenza di oscillazione, che è quella standard di “la” a 440
Hz. Quando viene percosso il primo diapason, la sua vibrazione
si trasmette attraverso l’aria all’altro diapason, che essendo
accordato sulla stessa identica frequenza comincia a vibrare
come se fosse stato esso stesso percosso, grazie ad un
fenomeno noto come risonanza. Tale fenomeno non dipende
dal modo in cui la vibrazione è stata provocata (infatti funziona
anche con la canna sonora accordata alla stessa frequenza) ed
è tanto più vistoso quanto più le frequenze proprie di
oscillazione sono uguali (infatti praticamente non è percepibile
utilizzando l’altra canna perché è accordata ad una frequenza
leggermente diversa).
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Disco di Newton
Cosa osservare:
Mettendo in rotazione il disco multicolore, si osserva che esso
appare invece bianco.
Come funziona:
Lo strumento ha il compito di dimostrare che la luce bianca è
formata dalla fusione dei colori (lunghezze d'onda) che
costituiscono lo spettro della luce, colori che si possono
ottenere per mezzo di un prisma.
Quando si fissa una sorgente luminosa, l'immagine impressa
sulla retina (parte sensibile alla luce dell'occhio) vi permane
per un po' di tempo anche dopo che si è distolto lo sguardo
dalla sorgente. Il fenomeno è detto persistenza dell'immagine
retinica.
Nel caso del disco, ogni colore impressiona la retina e lo
stimolo permane anche dopo che il colore che l‘ha prodotto
viene sostituito da un altro colore. Il risultato è la fusione di
tutti i colori del disco a livello della retina, e
conseguentemente il cervello interpreta le informazioni
ricevute come quelle prodotte dal "colore" somma di tutti
quelli che formano la luce del sole; per questo motivo, il disco
appare bianco, anche se ovviamente non lo è.
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Meccanismo di orologio a pendolo
Cosa osservare:
Tirando su il peso maggiore e dando un colpetto al pendolo,
esso comincia ad oscillare in modo regolare causando la
rotazione della ruota dentata, mentre il peso scende.
Come funziona:
Il meccanismo è alla base del funzionamento dei vecchi
orologi, che sfruttano la legge dell’isocronismo delle
oscillazioni del pendolo, scoperta da Galileo. In pratica le
oscillazioni di un pendolo di data lunghezza hanno sempre la
stessa durata indipendentemente dalla massa sospesa e
dall’ampiezza delle oscillazioni, il che rende l’oggetto molto
utile per la misurazione del tempo, visto che questa si basa su
eventi periodici. Il problema è che a causa dell’attrito le
oscillazioni tendono a smorzarsi fino all’arresto, poiché il
pendolo perde progressivamente energia. Il sistema di pesi ha
proprio lo scopo di “rifornire” di energia con continuità il
pendolo, in modo da mantenerlo in oscillazione.
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