Esperienze di Fisica: la rivoluzione di Galileo

	Con questa foto avviamo la meccanica, poiché in essa si vede il dispositivo sperimentale per studiare le leggi del moto rettilineo uniforme. Come si vede il trasformatore alimenta il marcatempo elettromagnetico (vedi più sotto), tra i cui rebbi scorre la carta carbone (qui non presente) ancorata al carrellino semovente, a sua volta posto al di sopra dell'apposita guida metallica. I punti lasciati dal marcatempo sulla carta carbone risultano equidistanti. Ecco un filmato di questa esperienza.
	Ed ecco invece il dispositivo sperimentale necessario per la verifica delle leggi del moto rettilineo uniformemente accelerato. Un carrellino non semovente cade lungo un piano inclinato, oppure a trascinarlo è un pesetto che scorre su una carrucola, e la sua velocità in ogni istante è misurata per mezzo di un foglio di carta carbone fissato al carrellino che scorre tra i rebbi di un marcatempo elettromagnetico, descritto subito sotto. Eccovi anche un filmato digitale di questa esperienza.
	Il marcatempo elettromagnetico appena nominato è un geniale accessorio da laboratorio che può utilmente sostituire il comune cronometro. Il suo percussore batte esattamente 50 volte al secondo, e dunque lascia sulla carta carbone in movimento sotto di esso una serie di tracce. Separando le tracce in gruppi di 5, la lunghezza di ciascun gruppo corrisponde dunque allo spazio percorso dalla carta carbone (e dal dispositivo che la trascina) in un decimo di secondo. In tal modo è possibile calcolare velocità ed accelerazione nel moto rettilineo uniforme e nel moto rettilineo uniformemente accelerato.
	Per studiare il moto rettilineo uniforme bisogna fare ricorso ad un carrellino semovente. Lo si aziona mediante l'interruttore posto sulla faccia superiore, può procedere in entrambe le direzioni e la velocità è regolabile da un minimo ad un massimo con l'apposita levetta. Il cilindretto arancione rappresenta il dispositivo di bloccaggio per la striscia di carta carbone che il carrellino si trascinerà dietro, facendolo passare sotto i rebbi del marcatempo (vedi figura precedente). Eseguendo tre prove con velocità minima, intermedia e massima, è facile realizzare i diagrammi orari del moto rettilineo uniforme.
	La fotografia, scattata dai miei alunni di Seconda Liceo Classico, mostra il carrellino non semovente necessario per le suddette esperienze di cinematica. Su di esso è indicata la massa (tara), pari a 50 grammi, e l'asta verticale al centro serve per infilarvi dei pesi, come si vedrà in altre foto successive di questa galleria. A dispetto della sua semplicità, si tratta di un componente piuttosto delicato: se cade in terra si sfascia facilmente, per cui necessita porre un alunno seduto lateralmente rispetto al banco, così da impedire che esso caschi al termine della sua corsa lungo la guida metallica.
	La fotografia di Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/2005) mostra l'intero ripiano di cinematica di questo scaffale del nostro Laboratorio Virtuale. In esso si vedono illustrati strumenti d'epoca ma perfettamente funzionanti come una guida metallica, un carrellino semovente ed una leva di primo genere a bracci uguali!
	Lo schema in figura è stato realizzato dal sottoscritto ritagliando i gruppi di cinque puntini lasciati sulla carta carbone dal mio marcatempo elettromagnetico, ed incollandoli verticalmente su di un diagramma cartesiano da me opportunamente approntato. In ascissa vi è dunque il tempo (ogni tratto rappresenta un decimo di secondo), in ordinate la velocità, e non lo spazio, perchè la lunghezza di ogni tratto rappresenta lo spostamento del carrellino nell'unità di tempo!! Come si vede, la velocità cresce linearmente con il tempo, e ciò dimostra che il moto è effettivamente uniformemente accelerato!
	Gli esperimenti di cinematica possono essere eseguiti facendo ricordo ad una guidovia a cuscino d'aria, una guida metallica sulla quale vengono fatti scorrere degli strumenti chiamati cavalieri. La loro posizione e la loro velocità viene registrata tramite un sensore a raggi infrarossi, mentre il tempo viene misurato con un cronometro. Con essa si possono dunque eseguire esperimenti simili a quelli condotti da Galileo Galilei.
	Come fare per simulare il moto rettilineo uniforme? Occorre eliminare l'attrito. A questo scopo si utilizza un accrssorio detto turboventilatore ad aria compressa, in pratica un "aspirapolvere al contrario" che soffia getti di aria dentro la guida; l'aria esce da forellini praticati lungo di essa e mantiene i cavalieri sollevati, così da ridurre l'attrito praticamente a zero. Il moto rettilineo uniformemente accelerato si realizza imprimendo ai cavalieri una spinta con una molla.
	Combinando un moto rettilineo uniforme orizzontale ed un moto uniformemente accelerato verticale (il moto dei gravi) si ottiene un moto parabolico. L'esempio più chiaro è fornito dai getti d'acqua delle fontane che, come dimostra questa fotografia scattata dall'autore di questo sito, seguono proprio un traiettoria di questo tipo. La dimostrazione che il moto dei proiettili è di tipo parabolico si deve al solito Galileo Galilei.
	Un'esperienza semplice da realizzare e di sicuro successo: il tubo a vuoto. Si tratta di un tubo dal quale si pompa fuori tutta l'aria mediante l'apposita macchina pneumatica. In esso sono contenuti un piombino ed una piuma. In presenza di aria, capovolgendo il tubo, essi cadono in tempi diversi a causa del forte attrito dell'aria; una volta che quest'ultima è stata aspirata, gli studenti osservano con sorpresa che piombino e piuma cadono insieme verso il basso. Si dimostra così l'assunto di Galileo Galilei secondo il quale il tempo di caduta è indipendente dalla massa dell'oggetto.
	Lo scatto qui accanto rappresenta lo strumento principe per la misura delle forze: il dinamometro. Si tratta di un semplice strumento che applica la legge di Hooke sull'elasticità: le deformazioni della molla sono direttamente proporzionali agli sforzi applicati. Come si vede in questa immagine, il dinamometro in questione è costituito da un cilindro esterno trasparente e da uno interno, nel quale scorre la molla. Quest'ultimo cilindro di colore dorato è tarato direttamente in grammi peso, facilmente leggibili a seconda del numero di taccature che emerge dal bordo inferiore.
	Un semplice dispositivo, ripreso direttamente dal sottoscritto, per eseguire la verifica sperimentale della legge di Hooke. A questo scopo si utilizza un sostegno in metallo, una molla scelta fra le cinque (di diversa costante elastica) contenute nella scatoletta di cartone bianco, diverse masse ed un'asta graduata tenuta in piedi da un sostegno metallico. Si sospende la molla al treppiede e si verifica l'allungamento rispetto alla posizione di equilibrio, quindi si pongono in ascissa questi allungamenti e in ordinate i pesi, verificando facilmente la loro diretta proporzionalità. Semplice, no?
	Lo scatto illustra una molla a spirale, che può essere usata per dimostrare come il momento torcente sia proporzionale all'angolo di torsione, esattamente come la forza traente è proporzionale all'allungamento per la molla lineare. Questo strumento è stato utilizzato negli orologi da tasca e da polso (vedi).
	Questo altro non è che un pendolo, fabbricato sospendendo una massa ad un sostegno con un filo di lunghezza opportuna per poter eseguire la misura dell'accelerazione di gravità terrestre. Basta far compiere al pendolo dieci oscillazioni e misurarne la durata con un cronometro, ripetere la misurazione per cinque volte, eseguire una media, dividere per dieci ed infine adoperare la semplice legge del moto armonico per misurare g con un errore inferiore al 10 %. Impossibile tenere un corso liceale di meccanica senza far eseguire quest'esperienza agli allievi.
	Un'asta orizzontale, uno strumento di misura molto semplice che può essere utilizzato per misurare l'ampiezza delle oscillazioni del pendolo (le quali sono armoniche solo se l'angolo di oscillazione non supera i 10°: legge di Galilei sull'isocronismo delle piccole oscillazioni), ma anche in esperienze più complesse di ottica o di elettrologia.
	L'immagine in figura (le mani sono quelle del mio allievo Edoardo Tovaglieri) illustra il fenomeno della rottura a fatica. Un tondino di metallo è molto difficile da spezzare, ma non se lo si piega e ripiega più volte in direzioni opposte. Il metallo infatti subisce un fenomeno chiamato snervamento ed alla fine si rompe. Il fenomeno fu scoperto a metà ottocento in seguito a un grave incidente ferroviario, che era stato provocato proprio dalla rottura a fatica di un assiale che, girando, era sollecitato in continuazione a trazioni e compressioni ripetute. In figura è il refil di una biro ad essere spezzato a fatica.
	Questa fotografia ripresa dall'allieva Marta Milano mostra sulla destra un grosso disco metallico tenuto in posizione verticale, sulla cui superficie viene steso e trattenuto un foglio di carta ritagliato in forma circolare. Alle due carrucole disposte sulla periferia del disco vengono sospese delle masse, le quali equilibrano una terza massa collegata al gancio del punto di connessione tra i due fili. Per esempio, appendendo 300 g e 400 g alle due carrucole e 500 g al gancio centrale, à immediato verificare che l'angolo formato dai due cavi obliqui è retto, in base alla legge di composizione dei vettori.
	L'immagine rappresenta l'oggetto visibile sulla sinistra nella foto precedente, e cioè il cosiddetto tavolino di Varignon: un altro apparecchio per mostrare in modo semplice la composizione di forze concorrenti. Notevole in quest'esemplare è il goniometro sul piatto orizzontale, che permette una verifica quantitativa anche della somma vettoriale di forze il cui valore non viene a comporre angoli notevoli (di 30°, 45°, 60°). Accanto allo strumento si vedono anche delle masse da utilizzarsi negli esperimenti.
	La fotografia in esame illustra un altro dispositivo per visualizzare in maniera semplice ed efficace il parallelogramma delle forze. Come si vede è stato montato un telaio al quale sono appesi un ripiano verticale, sul quale è fissato un goniometro, e due carrucole che tengono sospese masse di 3 e 4 hg, mentre la massa sospesa al centro è di 5 hg. In base alle leggi del calcolo vettoriale, l'angolo che si forma è di 90°, come si verifica facilmente.
	Un'altra verifica delle leggi del calcolo vettoriale si può effettuare con la disposizione in figura, in cui le due carrucole tengono sospese due masse, entrambe di 3 hg, mentre al centro sono sospesi altri 3 hg. In questo caso le tre forze sono uguali in modulo, e quindi il parallelogramma da esse descritto è un rombo formato da due triangoli equilateri con un lato in comune. Se ne deduce che le tre forze debbono essere separate da tre angoli di 120°, come il goniometro dimostra assai facilmente.
	Questa foto mi è stata messa a disposizione dalla collega Elena Ricci, che ringrazio vivamente (questo il suo sito), e raffigura un altro modo per eseguire l'esperienza della composizione delle forze. In pratica si appende ad un perno del sostegno il dinamometro cui sono sospesi alcuni pesetti, quindi si aggancia all'estremità del dinamometro un filo che passa nella gola di una puleggia ed a cui sono sospesi altri pesetti. Mediante un goniometro si misurano gli angoli formato dalle forze peso e dalla relativa equilibrante al variare delle forze (basta aumentare o diminuire i pesetti), e verificare la legge di composizione vettoriale diventa davvero uno scherzo.
	L'immagine in esame, ripresa dai miei studenti di Seconda Liceo Classico, illustra un'esperienza semplicissima ma assai suggestiva: la verifica del parallelogramma delle forze sul piano inclinato. Un carrellino appesantito opportunamente è posto su di un piano inclinato realizzato mediante la guida metallica ed alcuni libri; il dinamometro misura la componente tangenziale della forza peso, e permette di verificare la scomposizione della forza lungo due direzioni.
	Un modello dimostrativo di turbina (più sotto ne vedremo una di ben altre dimensioni) permette di verificare la scomposizione delle velocità. Infatti un getto d'acqua ad alta velocità investe le pale della turbina, che però sono inclinate di 45°; la velocità delle molecole d'acqua è allora scomposta in due componenti, una perpendicolare al getto ed una inclinata di 135° rispetto ad esso. La prima devia le molecole d'acqua, la seconda spinge le pale e mette in rotazione la turbina.
	La fotografia qui a fianco è stata ripresa dal tecnico Elio Tagliaferro con il suo videofonino e rappresenta l'esperienza che permette la verifica della legge oraria del moto armonico. In pratica si sospende una molla ad un sostegno, la si carica con una massa facendo attenzione a non snervarla, la si fa oscillare, si contano dieci oscillazioni e poi si divide il risultato per dieci, trovando il periodo del moto armonico. Note la costante elastica della molla (già misurata) e la massa sospesa, si trova facilmente un valore teorico del periodo di oscillazione, da confrontare con il valore sperimentale.
	Lo strano scatto qui a fianco mostra mia mamma, la prof.ssa Enrica Soldavini, intenta ad un'azione molto comune tra le casalinghe: sta asciugando l'insalata in giardino, dopo averla lavata e prima di portarla in tavola. Che ci crediate o no, si tratta di un'evidente applicazione del primo principio della dinamica o principio d'inerzia. Infatti, sbattendo violentemente l'insalata bagnata dentro uno strofinaccio, l'umidità, a cui lo straccio è permeabile, mantiene il proprio stato di moto rettilineo uniforme (a differenza dell'insalata, bloccata dentro lo strofinaccio) venendo spruzzata all'indietro, e così l'insalata si asciuga.
	Come afferma il secondo principio della dinamica, alla base di quasi tutti i problemi dinamici, la forza applicata ad un corpo è direttamente proporzionale all'accelerazione da esso assunta, e la costante di proporzionalità diretta è la massa. In questa figura vediamo una serie di masse, alcune anche con sostegno e gancio, per effettuare varie esperienze di dinamica.
	Il disegno in esame, nel quale è inserita anche una miniatura dell'esperienza vera e propria, si deve agli alunni Filippo Puricelli e Cecilia Spampinato (II B cl. a.s.2007/2008), ed illustra il meccanismo per la verifica sperimentale del secondo principio della dinamica. La verifica è effettuata facendo in modo che il carrellino, di massa nota, venga trascinato da una massa in caduta libera a cui è collegato tramite un filo. Misurando l'accelerazione è facile verificare la veridicità della legge fisica.
	Quest'immagine quadripartita rappresenta una semplicissima esperienza riguardante il terzo principio della dinamica (o legge di azione e reazione), da eseguirsi con materiale povero: uno stuzzicadenti, un cerino, carta stagnola. Si arrotolano insieme strettamente il cerino e lo stuzzicadenti, dopo aver tagliato in dimensioni adeguate la stagnola, quindi si pone lo stuzzicadenti in equilibrio sul pacchetto di cerini come mostrato in basso a destra. Avvicinando all'estremità inferiore della stagnola un cerino acceso, lo stuzzicadenti parte come... un missile, poiché la combustione del cerino in ambiente chiuso indirizza il getto di gas combusti verso il basso, e di conseguenza il tutto tende a muoversi in direzione opposta, partendo verso l'alto!
	Questa fotografia sembra stare tra le circostanti come i cavoli a merenda, invece ha un preciso significato fisico. Si vede infatti il cruscotto della mia auto che procede sotto la fitta nevicata del 26 gennaio 2006. I tergicristalli sono in funzione e la neve sembra cadere proprio perpendicolarmente al cruscotto. Vento forte e bufera di neve? No, semplicemente il moto di caduta verticale dei fiocchi di neve si compone verticalmente con il moto orizzontale dell'auto, ed il risultato è questo: la neve che sembra "venire incontro" all'auto. È lo stesso motivo per cui occorre inclinare l'ombrello in avanti quando si corre sotto la pioggia: una chiara ancorché semplice applicazione del moto relativo.
	Uno straordinario quanto datato dispositivo: un parallelogrammo articolato in grado di dimostrare le leggi della statica. Fino a che il pendolino, sospeso nel baricentro, resta all'interno della base, il parallelepipedo rimane in equilibrio, ma esce dall'equilibrio e cade non appena il pendolo esce dalla base di appoggio, come si può vedere in questo video da me realizzato. In pratica è la dimostrazione del perchè la torre di Pisa pende ma non cade!!
	Questa immagine composita mostra un divertente giochetto prestatomi dalla mia allieva Francesca Piotti (III B cl. a.s. 2008/09) che illustra il fenomeno dell'equilibrio. Questa biciclettina di metallo e questa pallina dello stesso materiale paiono del tutto diverse tra di loro, tuttavia il dispositivo è fabbricato in modo che esso possa restare perfettamente in equilibrio sul suo supporto, su una biro o su un polpastrello. Il punto di appoggio dell'oggetto sospeso coincide con il suo baricentro. Ecco in proposito un breve filmato che mostra questo perfetto equilibrio.
	L'immagine raffigura il classico strumento da laboratorio utilizzato per determinare la posizione del baricentro di un corpo, per esempio una lamina metallica a forma di cerchio o di triangolo. Dato che la verticale passa sempre per il baricentro, basta sospendere la lamina in posizioni differenti e tracciare la verticale, segnata da un filo a piombo. Tutte le verticali tracciate passano per il baricentro, che dunque è estremamente facile da individuare.
	Questo treppiede ci permette di introdurre una delle proprietà fondamentali della statica dei corpi: l'isostaticità. Un corpo si dice isostatico quando possiede un numero di vincoli pari ai suoi gradi di libertà. Ad esempio, una porta libera di girare sui cardini non lo è, perchè ha tre gradi di libertà ma solo due vincoli, e può ruotare intorno ai cardini. L'oggetto posto su questo treppiede ha anch'esso tre gradi di libertà, ma altrettanti vincoli, rappresentati dagli appoggi sul terreno: infatti il treppiede non si rovescia. Un tavolino a quattro gambe, invece, ha tre gradi di libertà e quattro vincoli, e quindi si dice iperstatico. Tutto questo è alla base della moderna Scienza delle Costruzioni.
	L'equilibrio dei corpi ci trasporta immediatamente nell'ambito della statica, capitolo fondamentale della Scienza delle Costruzioni. Nell'immagine a fianco vediamo un esempio di capriata, un tipo di copertura delle costruzioni che ha avuto molta fortuna nel passato, specie se decorata con intagli o decorazioni geometriche. È un elemento fondamentale della scienza delle costruzioni, perché assicura la ripartizione sui suoi punti d'appoggio dei pesi della copertura (e dell'eventuale neve sopra di essa)
	La capriata venne usata in epoca paleocristiana come copertura per le prime basiliche cristiane, perché ha il vantaggio di annullare le spinte orizzontali grazie alla sua struttura intelaiata, ed il fatto di non generare spinte laterali permetteva di avere mura lisce, senza bisogno di contrafforti, adatte per essere affrescate con temi sacri. Poco in uso durante il Rinascimento, la capriata ha conosciuto una seconda giovinezza nell'età moderna grazie agli edifici in ferro e in ghisa costruiti per scopi industriali. A fianco si vede un modellino di tempio con copertura a capriata realizzato dagli studenti del mio Liceo.
	Ed ecco una seconda fondamentale struttura architettonica: l'arco. In essa i materiali da costruzione (blocchi di pietra, mattoni, ecc.) sono disposti l'uno sull'altro in modo da scaricare lateralmente il peso della muratura sovrastante, riducendo lo sforzo di flessione dei materiali. Quello in figura è un arco a sesto acuto o ogivale, da me fotografato (come la capriata soprastante) nel santuario di S.Maria a Brunello (VA) con il permesso del rettore, il mio amico don Gianni Pianaro, che ringrazio.
	Nella Biblioteca del mio Liceo la gentile bibliotecaria, prof. Rosita Rioda, mi ha concesso il permesso di fotografare questo fantastico modellino di una tomba etrusca a cupola rinvenuta a Casale Marittimo (provincia di Pisa), realizzato dagli studenti nelle ore di Arte. Si vede il principio costruttivo della cupola, che poi è lo stesso dell'arco appena visto: incastrare i massi l'uno nell'altro in modo da scaricare tutto il peso sul perimetro laterale. Per rinforzare il tutto qui c'è un pilastro centrale.
	Una cupola assai più grande e più perfezionata è quella di Santa Maria del Fiore a Firenze, che qui vediamo in un altro modellino esposto nella Biblioteca del mio Liceo, e dovuta all'abilità degli studenti Elena Borgo e Jacopo Orsini (IV B a.s. 2005/2006) . Il duomo fu iniziato nel 1296 dal grande architetto Arnolfo di Cambio, e completato nel 1434 da Filippo Brunelleschi (1377-1446) con la monumentale cupola, conclusa però solo nel 1461. La lanterna dista 107 m dal suolo, e il duomo è la seconda chiesa del mondo per grandezza dopo San Pietro a Roma. L'immensa cupola ha pianta ottagonale, è a sesto acuto e scarica ingegnosamente tutto l'enorme peso sui contrafforti laterali.
	L'esperienza in questione serve per dimostrare, nell'ambito degli errori sperimentali (a causa dell'ineliminabile attrito), il principio di conservazione dell'energia. In pratica si fa rotolare una sferetta d'acciaio lungo il piano inclinato (sulla destra) e poi la si fa ricadere, con una traiettoria parabolica, sopra un foglio di carta carbone, su cui lascia una traccia. Nota l'altezza della traiettoria parabolica e la gittata (rilevabile grazie alla suddetta traccia), si ricava la velocità della pallina al momento in cui lascia la guida, e quindi la sua energia cinetica; risulta immediato risalire così alla costanza dell'energia meccanica totale. Se gli studenti osservano una differenza di energia tra l'inizio e la fine, è immediato imputarla all'attrito.
	Una facilissima esperienza eseguita dai miei alunni di Seconda Liceo Classico: ponendo il blocco sulla guida di legno, esso non scivola anche inclinando la guida a causa della presenza dell'attrito statico; il blocco comincia a scivolare solo quando si raggiunge una certa pendenza. È disponibile anche un filmato digitale di quest'esperienza.
	Come è possibile determinare il coefficiente di attrito statico del legno su legno? Misurando la cosiddetta "forza di primo distacco", cioè la minima forza necessaria a muovere il blocco di legno. Per questo basta tirare il blocco con un dinamometro; la forza da esso segnata quando inizia il moto è la forza di primo distacco, cioè la forza d'attrito. Dividendo tale forza per il peso del blocco si ottiene agevolmente il coefficiente di attrito statico.
	Questa foto mostra l'apparato sperimentale per misurare il coefficiente di attrito radente tra un blocco di legno ed una guida dello stesso materiale. Il blocco è messo in moto da un peso in caduta libera, legato ad esso per mezzo di un filo di nylon; dato che la guida di legno non ha i rebbi per incastrarvi una carrucola, essa è stata sovrapposta ad una guida in metallo. La velocità del blocco è misurata mediante un marcatempo elettromagnetico (vedi sopra) e, con facili considerazioni energetiche, è possibile ricavare il coefficiente di attrito legno-legno.
	Come mostra quest'altra fotografia, con il suddetto apparato sperimentale, oltre al coefficiente di attrito legno-legno è possibile calcolare quello legno-panno e quello legno-plexiglas, essendo due facce del blocco ricoperte di questi materiali. Si noti che due facce del blocco, una più larga ed una più stretta, sono di legno senza ricoperture per verificare che il coefficiente d'attrito è indipendente dall'ampiezza delle superfici a contatto.
	L'attrito volvente è circa cento volte più piccolo di quello radente. Mentre quest'ultimo è una conseguenza del reciproco strisciamento di due corpi solidi, quello volvente è dovuto al rotolamento dell'uno sull'altro. È così piccolo perchè anche la superficie di contatto tra i due solidi è piccolissima! Tuttavia è da notare che civiltà avanzatissime come quella Maya sono riuscite a mettere a punto calendari precisissimi e ad edificare imponenti costruzioni senza mai far uso della ruota!
	Questa pinza viene utilizzata in meccanica, termodinamica e chimica per trattenere componenti di apparati sperimentali o per sospendere provette sopra i Bunsen. Perchè si trova in questa posizione dell'Armadio Virtuale? Perchè essa trattiene gli oggetti mediante una vite senza fine o vite di Archimede. La vite funziona mediante il principio dell'attrito; non si svita da sola, cioè, a causa del forte attrito prodotto contro il bullone dal filetto, una sorta di piano inclinato avvolto attorno alla vite.
	Sulla sinistra, ecco un modello di pendolo di Foucault, con il quale il fisico francese Jean Bernard Leon Foucault (1819 – 1868) dimostrò il moto di rotazione della Terra dal . Posto il pendolo in oscillazione in un piano verticale, ma libero di ruotare, a causa del moto di rotazione della Terra il piano di oscillazione ruota leggermente rispetto al terreno sottostante, perchè il pendolo tende a conservare immutato il piano di oscillazione rispetto ad un sistema di riferimento assoluto. Il tutto è montato su di una macchina di rotazione a mano.
	Questa foto differisce dalle altre della galleria, pur rappresentando una versione in scala maggiore del pendolo di Foucault di cui si è detto sopra, perchè è stata scattata nel padiglione astronomico del Museo Nazionale della Scienza e della Tecnica di Milano, visitabile online al sito www.museoscienza.org: ci sono stato con la III A e la III B cl. a.s. 2004/05 il 26/02/2005.
	La fotografia illustra un oggetto davvero raro da trovare in un laboratorio liceale: un modellino di bilancia di torsione o bilancia di Cavendish. Si tratta del dispositivo ideato da Henry Cavendish (1731-1810), lo scopritore delll'idrogeno, per misurare la costante di gravitazione universale. Le due sfere massicce vengono avvicinate alle sfere più piccole, poste alle estremità di una bacchetta (equipaggio) sospesa ad un filo e chiusa dentro una scatola di plexiglas per ripararla dalle correnti d'aria; misurando la lievissima torsione della bilancia mediante lo specchietto solidale al filo, su cui si fa incidere un raggio di luce, è possibile misurare l'attrazione gravitazionale tra le due sfere, e quindi la costante G.
	La ricostruzione pittorica qui a fianco è dovuta al mio studente Tommaso Alfonsi (4 G a.s. 2010/11), che per realizzarla si è servito del programma Google SketchUp. In essa è rappresentato il campo gravitazionale terrestre: una massa "deforma" lo spazio circostante esattamente come una palla da bowling posta su un letto ne deforma la superficie. Il percorso più breve tra due punti in questo spazio "deformato" non è più rettilineo, ma un arco di curva. Questo spiega perchè la Luna si muove di moto curvilineo attorno alla Terra, essendo costretta a spostarsi nel "pozzo gravitazionale" da essa formato!
	Il satellite GRACE (Gravity Recorder and Climate) ha ripreso quest'insolita immagine della Terra rilevando le differenze nell'attrazione gravitazionale da un punto all'altro della sua superficie. Ne consegue che la Terra è tutto, fuorché un pianeta omogeneo al suo interno... Per maggiori informazioni sulla meccanica celeste visitate l'Armadio di Geografia Astronomica.
	Questa foto di una giostra scattata in un parco divertimenti da Lorenzo Mainini spiega perfettamente il concetto di forza centrifuga, cioè quella forza apparente avvertita dai sistemi non inerziali in moto rotatorio. Un osservatore esterno, in questo caso il fotografo, vede che il trenino ruota di moto circolare uniforme, e perciò su di esso agisce una forza che lo costringe a ruotare, detta forza centripeta perché diretta verso il centro. Invece il bambino sulla giostra vede il trenino in quiete rispetto a se stesso, ma avverte una forza centripeta . Essendo il corpo in quiete, per l'osservatore sulla giostra deve esistere una forza che la controbilanci, e la chiamerà forza centrifuga, perché diretta verso l'esterno.
	Ed ecco a voi una semplicissima esperienza, da eseguirsi nel laboratorio della scuola, la quale fa uso di una macchina di rotazione a motore, cioè di un dispositivo in grado di mettere in rapida rotazione qualunque sistema meccanico, onde verificare gli effetti della forza centrifuga, che sembra far allontanare gli oggetti dall'asse di rotazione, se guardati dal punto di vista di un osservatore non inerziale. A che serve lo strano dispositivo montato su tale asse nella figura in questione?
	Ecco la risposta: come illustra la foto, serve per dimostrare lo schiacciamento polare terrestre dovuto al suo moto di rotazione. Gli anelli di metallo sostenuti dall'asse in rotazione sono flessibili e, quando la macchina entra in rapida rotazione, appaiono visibilmente schiacciati in direzione verticale a causa della forza centrifuga che spinge verso l'esterno la zona equatoriale. Un esperimento di sicuro successo, che spiega come mai più un corpo è rapido a ruotare su se stesso, più appare schiacciato ai poli, come accade ai pianeti Giove e Saturno (vedi l'Armadio Virtuale di Astronomia). Di quest'esperienza è disponibile anche un breve filmato digitale.
	La forza centrifuga può essere verificata anche con questi accessori detti anelli centrifughi: montandoli sulla macchina di rotazione, essi risultano schiacciati perchè le estremità sono soggette per l'appunto a spinta centrifuga!
	Il sottoscritto ha fotografato anche questo dispositivo per la verifica della forza centrifuga: ponendolo sulla macchina di rotazione e facendola girare, si osserva come le palline sono spinte all'estremità proprio dall'esistenza della forza apparente nota come forza centrifuga, che è anche alla base per esempio delle normali lavatrici.
	Sempre la forza centrifuga è alla base dell'ingegnoso regolatore di Watt qui ritratto, che James Watt (1736-1819) ideò per regolare l'afflusso di vapore nel motore da lui inventato, perfezionando la macchina a vapore di Newcomen. Se il vapore è in eccesso, la macchina gira troppo velocemente e rischia di esplodere, ma la forza centrifuga porta all'apertura dei due bracci, la quale agisce su una valvola che limita l'erogazione del vapore; se il vapore diminuisce troppo, i bracci si abbassano a causa della diminuzione della velocità, e la valvola si riapre. Geniale, no? Per vedere il regolatore in azione sotto l'effetto della forza centrifuga, scaricate questo breve filmato.
	Anche questa fotografia composita sembra non avere alcuna relazione con le precedenti, ma non è così. Si vede infatti mia madre che prepara un piatto di carote crude finemente tagliuzzate usando un comune robot da cucina. Come si può vedere, esso sfrutta una lama circolare (in alto a sinistra) contro la quale vengono poste (in alto a destra) e poi premute (in basso a sinistra) le carote; una volta tolta la lama, si può vedere come le carote sono state lanciate contro le pareti del robot, sempre per effetto dell'immancabile forza centrifuga. Per la serie: la Fisica in Cucina!!
	Questo dispositivo sperimentale è stato realizzato dal sottoscritto con alcuni pezzi del meccano con cui giocavo da bambino (mai buttare niente!!), ed illustra facilmente la trasmissione della quantità di moto durante gli urti centrali. Se sollevo il primo pendolo e lo lascio cadere sul secondo, solo l'ultimo si solleverà, perchè la quantità di moto del primo si trasmette da un pendolo all'altro. Il fenomeno non ha luogo se fra due palline viene interposto un dischetto di materiale deformabile.
	Questa specie di bilancia può venire utilizzata per studiare i tre stati di equilibrio, ed in particolare l'equilibrio instabile. Infatti lo stelo è diviso in due parti, e la parte superiore ha un'estremità convessa che alloggia dentro quella concava della parte inferiore. L'equilibrio appare dunque instabile come quello di una matita tenuta in bilico sulla punta, ma la presenza dei due contrappesi laterali permette ai bracci della bilancia di restare in equilibrio, spostando il baricentro dell'oggetto. Un esperimento intuitivo ma molto significativo persino per i bambini.
	Ed ora, alcune interessanti esperienze sulle macchine semplici dette leve. In particolare, quella in figura è una leva di primo genere perchè ha il fulcro tra la resistenza e la potenza: è il principio della comune bilancia a bracci uguali. Noi sappiamo che l'equilibrio rotazionale è assicurato se la somma vettoriale dei momenti è pari a zero. Questo significa che, se appendo masse uguali ai due bracci della bilancia, devo appenderle ad ugual distanza dal fulcro. Semplice, no?
	Se invece poniamo sui bracci della bilancia masse diverse, sicuramente dobbiamo porle a diversa distanza dal centro , come illustra assai bene questa fotografia. Come si vede, sul braccio destro la massa è tre volte più grande che sul sinistro; questo implica che il braccio di sinistra deve essere tre volte più lungo di quello destro, a causa della inversa proporzionalità tra lunghezza dei bracci e forze applicate, che consegue dalla condizione di equilibrio rotazionale!
	Ed ecco un esempio più complesso. Il sistema a sinistra è in equilibrio rotazionale. Considerando infatti positivi i momenti che ruotano in senso antiorario e negativi quelli in senso orario, a sinistra ho un momento m x 6b + 2m x 3b = 12 m b, dove m è ciascuna delle masse appese e b la distanza tra due ganci sui bracci della leva. A destra invece ho - 2m x 6b = - 12 m b. Come si vede i due momenti sono uguali ed opposti, e quindi il sistema resta in equilibrio!
	Nella foto accanto si vede come è possibile realizzare in laboratorio un modello di leva di secondo genere facendo ricorso alla stessa strumentazione delle esperienze precedenti. In questo caso è necessario utilizzare un telaio con carrucole: il filo che passa su di esso è agganciato all'estremità del braccio della leva di primo genere, e rappresenta la potenza, mentre la resistenza è agganciata a metà dello stesso braccio. Come si vede, una sola massa è in grado di tenere in equilibrio due ad essa uguali, dimostrando in modo incontrovertibile che la leva di secondo genere è sempre vantaggiosa.
	Analogamente è facile realizzare anche un modello di leva di terzo genere: il filo che si avvolge sulle carrucole è ora agganciato alla metà del braccio. Come si vede chiaramente, per tenere in equilibrio una sola massa agganciata all'estremità del braccio ne sono necessarie due appese all'altro capo del filo, dimostrando che la leva di terzo genere è sempre svantaggiosa. Naturalmente se la potenza (il filo) fosse stata agganciata non a metà ma ad un terzo della lunghezza del braccio, sarebbe sta necessaria una potenza pari a tre masse per tenerne in equilibrio una sola. Il concetto vi è chiaro?
	Un semplicissimo esempio di leva di primo genere è fornito dalle forbici, così come dalle tenaglie, dal tronchesino usato per il filo spinato, dalle grandi forbici per potare i rami degli alberi, ecc. Infatti in tutti questi strumenti il fulcro è compreso tra l'oggetto da tagliare (resistenza) e le nostre dita (potenza). Più i manici sono lunghi, maggiore è la potenza con cui l'oggetto viene reciso: ecco perchè i tronchesini hanno dei manici così grossi!
	Anche la carrucola semplice (eccone due modelli datati) è una leva di primo genere: infatti il fulcro sta in mezzo, dove la carrucola è incernierata nel perno; la resistenza è la forza peso della massa da sollevare; la potenza è la forza di chi solleva; ed il fulcro sta evidentemente in mezzo tra resistenza e potenza. Si tratta in particolare di macchine né vantaggiose né svantaggiose, poiché per equilibrare una certa massa ne occorre una uguale. Vi è una leva di primo genere anche nel corpo umano: il cranio è sorretto dalla vertebra atlante, la resistenza (peso del cranio) tenderebbe a far inclinare la testa in avanti, la potenza è offerta dai muscoli del collo!
	Ed ecco invece un esempio rudimentale di carrucola composta, in cui la resistenza è agganciata ad una seconda carrucola (qui direttamente al filo) che a sua volta è sostenuta da una carrucola semplice. La carrucola composta rappresenta una leva di secondo genere, poiché quello che nel caso precedente era il fulcro, ora diventa la resistenza da sollevare, e si trova tra il fulcro e la potenza; inoltre il braccio della potenza è doppio di quello della resistenza (l'uno è il diametro e l'altro il raggio della carrucola sospesa), per cui con una certa massa posso equilibrarne una doppia.
	Se vogliamo un esempio di leva di secondo genere di uso comune, basterà prendere in considerazione questo modello un po' retrò di schiacciapatate, abilmente utilizzato dalle mani di mia mamma per realizzare degli gnocchi di patate. Come si vede, anche in esso la resistenza (le patate lessate da schiacciare e ridurre in pasta) è compresa fra il fulcro (la vite a destra) e la potenza (le mani della cuoca): schiacciare i tuberi con le mani richiederebbe molta fatica, invece "allungando" il braccio della potenza a parità di braccio della resistenza è possibile ridurre a piacimento la fatica in cucina!
	Questa fotografia del vecchio arcolaio di mia trisnonna (tuttora funzionante) non è fuori posto in questa rassegna, poiché esso rappresenta un ottimo modello di leva di terzo genere, in cui cioè la potenza (il piede) si trova tra la resistenza (la biella che mette in moto l'arcolaio) e il fulcro (il punto dove il pedale è incernierato). Il braccio della resistenza è maggiore di quello della potenza, quindi la leva risulta svantaggiosa; ma il suo scopo non è quello di sviluppare lavoro bensì di mettere semplicemente in rotazione l'arcolaio, per cui la soluzione costruttiva si rivela vantaggiosa.
	Un altro splendido esempio di sistema biella-manovella è quello che aziona la macchina da cucire d'epoca ritratta in questa fotografia. Come nel caso dell'arcolaio precedente, il moto alternativo del piede sul pedale viene trasformato in un moto circolare continuo dall'ingegnoso meccanismo, che viene utilizzato anche nelle locomotive per trasformare il moto alternato del pistone spinto dal vapore nel moto circolare continuo delle ruote del treno.
	Un altro straordinario gioco di leve fa funzionare questo elevatore ad altezza regolabile. La manopola a sinistra comanda una vite senza fine che avvicina due bracci metallici del sistema di leve, ed allora il ripiano si abbassa; oppure le fa allontanare, ed allora si solleva. Indispensabile per eseguire molte esperienze non solo di meccanica (per es. l'esperienza di Ö ersted), ma anche utile per capire come le leve possono essere applicate alla tecnologia.
	Un ingegnoso sistema di leve era anche alla base del funzionamento di questa Lettera 42 (evoluzione della mitica Lettera 22 di Indro Montanelli), una macchina da scrivere che non necessitava di alimentazione elettrica. Premendo i tasti si mettevano in moto i battenti, che premevano con forza sul nastro (visibile al centro del piano superiore della macchina), imprimendo i caratteri sul foglio. Per imprimere le maiuscole bastava premere un tasto ed abbassare l'intero sistema di leve!
	Gli ingranaggi qui illustrati furono ideati nell'antichità e studiati con impegno e passione da Leonardo da Vinci, ma solo all'inizio dell'era industriale ci si accorse che i loro denti, per ingranare perfettamente l'uno nell'altro, dovevano avere la forma di un evolvente di cerchio. Ricordiamo che si chiama evolvente la linea tracciata dall'estremità di una corda avvolta su di una circonferenza che si srotola senza strisciare.
	Gli ingranaggi possono essere utilizzati facilmente per trasmettere il moto rotatorio a 90°; basta dare loro una forma conica. Questo è il caso dell'antico trapano a mano qui fotografato, in cui il movimento è trasmesso alla punta dalla manovella a mano grazie a due semplici ingranaggi, visibili nel particolare ingrandito. Il trapano apparteneva a mio nonno, Natale Soldavini, e per forare le assi di legno sfrutta un altro principio nella punta, quello della vite senza fine.
	Grazie ad un sistema di ingranaggi più complesso, è stato possibile realizzare questo magnifico modellino di elicottero, le cui pale ruotano agendo sulla manovella laterale; da notare che la stessa manovella comanda anche l'elica posteriore! Il modellino è stato costruito usando una scatola di costruzioni della Lego ®, che mi è stata regalata negli anni settanta!
	Questo ingrandimento della foto precedente mostra chiaramente il complesso gioco di ingranaggi che sono stati necessari per realizzare il modellino. Gli ingranaggi sono di tre tipi diversi: due hanno i denti ad evolvente di cerchio, uno di diametro grande ed uno di diametro molto più piccolo, mentre il terzo ha denti piegati a quarto di cerchio, che servono per ingranare con i precedenti a 90°. Si noti che il modello di elicottero ideato dalla Lego ® è così preciso, da avere persino la possibilità di mutare l'inclinazione delle pale (come fa un elicottero vero per cambiare direzione, per mezzo di un gioco di leve che vengono comandate dalla postazione davanti alle poltroncine nere. Ingegnoso, vero?
	Mediante un sistema ancor più complicato di leve ed ingranaggi è possibile mettere assieme praticamente ogni macchina utilizzata dalla moderna tecnologia industriale. L'esempio più semplice è dato da questo splendido esemplare di macchina da cucire manuale, risalente agli anni '30 del secolo scorso: il sistema biella-manovella del pedale è sufficiente per mettere in moto l'ago e permettere ogni tipo di cucitura!
	A proposito di ingegnose combinazioni di ingranaggi in purissimo stile Steampunk, ecco il telaio meccanico esposto all'ingresso della città di Busto Arsizio (VA), città famosa giustappunto per le sue tessiture. Questo tipo di tecnologia meccanizzò l'arte del tessere, prima esclusivamente manuale, ed avviò la Rivoluzione Industriale, nel '700 in Inghilterra e nell'800 nell'Italia del nord.
	Grazie alla collaborazione dell'ingegner Giuseppe Biundo posso pubblicare quest'altra applicazione delle ruote dentate: nella foto composita si vede l'apparato molitorio di un vecchio mulino. Si nota l'asse di trasmissione tramite puleggia che riceveva il moto, attraverso una cinghia, da un motore elettrico da 18,5 kW di potenza visibile in basso a destra. Colpisce la particolarità dei denti delle ruote degli ingranaggi: alcuni sono in ghisa mentre altri sono di legno, dato che in questa maniera si abbassava l'attrito per via dell'incontro tra due sostanze diverse. Si notano anch e i sistemi per inserire e disinserire la rotazione della macina. Il pezzo in questione è stato prodotto dalla ditta F.lli Pagnoni di Monza.
	Un semplicissimo esperimento che però ha un enorme impatto didattico: la conservazione della quantità di moto (o "momento lineare") può essere spiegata facendo realizzare dei semplici urti anelastici fra carrellini, che restano uniti dopo lo scontro grazie alla presenza di un frammento di plastilina nella zona dello scontro. I due carrellini hanno la stessa massa e quindi, se spediti l'uno contro l'altro con la stessa velocità, si uniscono e si fermano (vedi filmato).
	Se invece uno dei carrellini ha massa doppia dell'altro, dopo l'urto si muovono insieme con velocità pari a un terzo di quella iniziale (vedi filmato). Purtroppo la verifica può essere eseguita quantitativamente solo con un sensore di velocità ad infrarossi, ed anche in questo caso l'attrito inficia irrimediabilmente l'esperienza. Tutti gli studenti però possono facilmente toccare con mano la verità di quest'affermazione in modo qualitativo, come mostra il filmato.
	Usando dei respingenti metallici che riducono notevolmente l'attrito, è facile realizzare degli urti elastici. Come si vede nel breve filmato digitale di quest'esperienza, due carrellini di massa uguale che urtano elasticamente ritornano indietro con la stessa velocità. In tal modo è facile far ricavare ai ragazzi che stavolta si conservano sia l'energia cinetica che la quantità di moto.
	È poi possibile far eseguire agli studenti molti altri esperimenti qualitativi sugli urti, facendo variare le masse dei due carrellini. Particolarmente interessante il caso in cui un carrellino venga spinto contro un altro fermo e di massa uguale: come mostra il filmato, il primo si ferma ed il secondo acquista la sua stessa velocità!
	La foto rappresenta un'esperienza che fa davvero colpo su tutti gli studenti: l'urto senza contatto. Stavolta i carrellini non hanno né plastilina né respingenti, ma due magneti orientati in modo da respingersi. L'urto avviene senza che i due carrellini si tocchino, come si può vedere nel filmato digitale corrispondente.
	Mi sembrava giusto dedicare una fotografia ai protagonisti di queste semplici esperienze sugli urti: i respingenti metallici (a sinistra) per gli urti elastici e i respingenti metallici (a destra) per quelli anelastici.
	Questi dischi e cilindri servono per esperimenti volti a misurare il momento d'inerzia di diversi corpi. I dischi e i cilindri hanno tutti un peso pressoché identico, ma una diversa distribuzione dello stesso. Possono essere utilizzati anche per esaminare le oscillazioni torsionali.
	L'esistenza della pressione atmosferica può essere provata con questo semplicissimo esperimento, realizzabile in ambiente domestico utilizzando un bicchiere ed un foglio di carta (io l'ho realizzato nella lavanderia di casa mia il 6/1/2006). Basta riempire il bicchiere d'acqua per metà, chiuderlo con il foglio di carta e poi capovolgerlo (ovviamente mantenendosi per sicurezza sopra ad un lavandino). Con sorpresa si noterà che l'acqua rimane nel bicchiere, grazie alla pressione atmosferica che preme sul foglio di carta. Quasi obbligatorio svolgere quest'esperienza ogni anno in laboratorio di Fisica!
	Un'altra esperienza "casalinga" per la dimostrazione della pressione atmosferica è quella ritratta in queste due fotografie. Occorre prendere una candela e fissare mediante cera colata sul fondo di una vaschetta, in cui vengono versati alcuni centimetri d'acqua. Si prende poi un becker e lo si capovolge sulla candela, che subito si spegne. E allora...
	...si osserva con sorpresa che l'acqua viene spinta dentro il becker. Questo avviene non perchè la candela consuma l'ossigeno creando una depressione, come molti credono, ma perchè l'anidride carbonica prodotta dalla combustione è solubile in acqua, quindi vi si discioglie, diminuendo la pressione interna al becker. Ciò può essere facilmente dimostrato utilizzando un rivelatore di pH, perchè l'anidride carbonica renderà l'acqua leggermente acida. Un'esperienza davvero di grande effetto.
	Un altro strumento fondamentale per verificare l'esistenza della pressione atmosferica è il baroscopio, (dal greco "mostra la pressione"), anche se il suo uso è più delicato di quello del barometro. Si tratta di una piccola bilancia, un braccio della quale è sostituito da un palloncino di vetro nel quale è praticato il vuoto. In pratica il palloncino, oltre al proprio peso, avverte anche la spinta idrostatica dell'aria, che è pari al peso di un volume d'aria uguale a quello del palloncino. Il peso a destra dunque è pari alla differenza tra il peso del palloncino stesso e la spinta idrostatica da esso subita.
	Ed ecco il baroscopio in opera: è posto sotto la campana di vetro e la pompa a vuoto, visibile sulla sinistra, sta estraendo tutta l'aria. In tal modo è facilissimo verificare che la bilancia si allontana dall'equilibrio e pende dalla parte del palloncino di vetro. Questo perchè viene a mancare la spinta idrostatica dell'aria che contribuiva a mantenere in equilibrio lo strumento!! Il successo è assicurato anche se, con le pompe a nostra disposizione, si ottiene soltanto una pendenza piuttosto lieve.
	Lo scatto rappresenta una copia in scala ridotta (ma perfettamente funzionante) dei celebri emisferi di Magdeburgo, così detti perché Otto von Guericke (1602-1686) li usò per dimostrare l'esistenza della pressione atmosferica ai grandi dell'Impero riuniti alla Dieta di Magdeburgo. Dopo aver estratto l'aria dall'interno di essi, un tiro ad otto cavalli non riusciva a separarli! Questi esemplari sono sufficienti affinché una persona da sola non riesca a staccarli l'uno dall'altro.
	Ed ecco i due emisferi all'opera, grazie alla collaborazione della prof.ssa Maria Rola. Dentro di essi è stato praticato il vuoto mediante l'apposita pompa, quindi il rubinetto è stato chiuso (come si vede, i bordi dei due emisferi sono unti di grasso affinché aderiscano meglio e l'aria non filtri). La collega, da sola, non è in grado di separarli; ci sono voluti almeno due studenti robusti per riuscire a farlo. Ad impedire il distacco degli emisferi è la pressione atmosferica esterna, non più controbilanciata da quella interna.
	Quello illustrato in questa foto composita è un altro facile esperimento che dimostra l'esistenza della pressione dell'aria. Si versa dell'alcool da cucina in un barattolo di vetro, lo si chiude con pellicola trasparente avendo cura che sia ben tesa, poi lo si immerge in una bacinella di acqua calda. Il calore fa evaporare l'alcool e la pellicola si gonfia verso l'alto (in alto a destra), ma poi si raffredda, la pressione interna diminuisce e quella atmosferica (in basso a destra) schiaccia la pellicola verso il basso!
	Un'altra prova dell'esistenza della pressione atmosferica è fornita da questa immagine, scattata in una cameretta d'ospedale. Ad un paziente è stata collegata una fleboclisi per iniettargli un farmaco via endovena; quando la bottiglia del farmaco era piena aveva la consueta forma ma, man mano che il liquido entra nel corpo, la bottiglia si schiaccia. Infatti il farmaco defluisce e, siccome nella bottiglia non v'è aria onde evitare la formazione di emboli, la pressione dell'atmosfera comprime la bottiglia, così come comprimeva la pellicola della foto soprastante!
	Naturalmente, parlando di pressione atmosferica, non può mancare una foto ad alta risoluzione di un barometro aneroide. Non si tratta di un barometro a mercurio come quello di Torricelli, ma di un "barometro metallico": esso contiene una scatoletta circolare (visibile nella foto sotto il quadrante) in cui è praticato il vuoto spinto e chiusa con una lamina metallica, a sua volta collegata alla lancetta. Al variare della pressione esterna la lamina si schiaccia o si rilassa, facendo ruotare la lancetta. Alta pressione significa bel tempo, bassa pressione significa la formazione di perturbazioni atmosferiche.
	Ed ecco il vero barometro a Torricelli, composto da una vaschetta piena di mercurio (in basso) in cui è immerso un tubicino alto un metro che viene riempito a sua volta di mercurio e poi capovolto nella vaschetta. Evangelista Torricelli (1608-1647), discepolo di Galileo Galilei, osservò che il mercurio nel tubicino scende fino ad un'altezza di 760 mm al livello del mare, ad un'altezza inferiore a quote più elevate, e concluse che la colonnina di mercurio è tenuta in equilibrio dalla pressione atmosferica, che infatti decresce al crescere della quota. È questa a stabilire i limiti entro cui può funzionare una pompa.
	Si dice invece manometro (dal greco manos, "rarefatto") lo strumento deputato alla misura della pressione di un fluido (un liquido o un gas) diverso dall'aria atmosferica, ad es. l'aria contenuta negli pneumatici di un'automobile o l'olio contenuto nei suoi freni. Quello qui illustrato è il più antico tipo di manometro della storia, il manometro a mercurio. Infilando il tubo di gomma in un fluido, la pressione fa abbassare il livello del mercurio nel tubo di destra e lo fa alzare in quello di sinistra; il dislivello, per mezzo della legge di Stevin, permette di ricavare la pressione. Purtroppo il ramo di sinistra è aperto e dunque lo strumento va usato con attenzione per evitare di rovesciare il mercurio. Questo modello sarà applicato nell'esperienza di Stevin.
	Ed ecco invece un manometro metallico Di questi strumenti si è già parlato abbondantemente nell'Armadio Virtuale dedicato agli Strumenti di Misura, ma anche in questo Armadio giova inserirne uno per ragioni di completezza. Il recipiente del quale si deve misurare la pressione è collegato tramite un tubo ad una membrana metallica che si deforma tanto più quanto maggiore è la pressione del fluido; la deformazione produce il movimento della lancetta sulla scala graduata, tarata direttamente in bar (1 bar = 10.000 Pascal). Il modello fotografato è ancora perfettamente funzionante.
	Un dispositivo molto semplice per verificare il principio di Pascal: la pressione si esercita uniformemente in tutte le direzioni (isotropia). Riempiendo d'acqua la provetta e spingendo lo stantuffo, i getti d'acqua sono uguali in tutte le direzioni.
	Il principio di Pascal può essere abilmente sfruttato nel martinetto idraulico, di cui qui si vede un esemplare fotografato dall' autore di questo sito, ed utilizzato per muovere il braccio meccanico di una ruspa. Il tubo scuro fotografato a sinistra pompa olio dentro il martinetto; siccome la pressione si distribuisce uniformemente in tutte le direzioni, è sufficiente una pressione non elevatissima dell'olio per esercitare una forza anche notevole sullo stantuffo del martinetto, e permettergli così di scavare grandi quantità di terriccio. Lo stesso principio viene sfruttato per sollevare gli automezzi da riparare in un'officina.
	La figura illustra il classico esperimento dei vasi comunicanti, diretta conseguenza della legge di Stevin, la quale afferma che la pressione dovuta ad una colonna di fluido dipende dalla profondità e non dalla sezione del recipiente o dalla sua forma. E quest'esperienza, facilmente comprensibile persino per un alunno delle scuole elementari, lo illustra a perfezione: il livello dell'acqua è lo stesso in tutti e cinque i rami!
	Quello in figura è un bellissimo modello di acquedotto romano realizzato dagli studenti del mio Liceo. Il primo acquedotto di questo tipo fu costruito nel VII secolo a.C. dagli Assiri per rifornire di acqua la loro capitale Ninive, ma furono i Romani ad eccellere nell'arte del trasporto dell'acqua: Roma era servita da 11 acquedotti per una lunghezza complessiva di circa 350 km. L'acquedotto romano a Ponte del Gard (Provenza) ha un dislivello di soli 34 cm per km, scendendo di soli 17 m nella sua intera lunghezza di 50 km. A volte, quando si incontravano lungo il percorso depressioni maggiori di 50 m, venivano utilizzati i sifoni inversi, condotte a gravità in uso anche ai giorni nostri per gli impianti idrici e fognari.
	In questa foto, scattata il 22/03/2005 dai miei studenti Andrea Zaro e Simone Zendali (II A cl. a.s. 2004/05) mostra il becker da 4 litri e la sonda manometrica con la quale è possibile eseguire la verifica sperimentale della legge di Stevin. La sonda è costituita da un pescante, che può essere abbassato grazie ad una vite di regolazione, e da un manometro, nel quale si versa acqua per mezzo di un imbutino. Mano a mano che il pescante viene abbassato aumenta il dislivello tra i due bracci del manometro, ed è possibile verificare in modo semplice la diretta proporzionalità tra profondità e pressione dell'acqua.
	Altra interessantissima esperienza di idrostatica è la verifica del Principio di Archimede mediante l'uso della bilancia idrostatica. Si tratta, come si vede, di una normalissima bilancia, nella quale un piatto è sostituito da una gancio cui è appeso un cilindretto di plastica. Dopo aver equilibrato quest'ultimo sulla bilancia, lo si immerge in un becker pieno d'acqua, e si verifica che la bilancia torna in equilibrio solo dopo aver posto sull'altro piatto un cilindretto di ugual volume, cavo e pieno d'acqua. La spinta del fluido è dunque pari al peso del volume di liquido spostato!!
	Quella qui illustrata è la celeberrima esperienza del diavoletto di Cartesio, così detta dal suo ideatore René Descartes (1596-1650). Si tratta di un "diavoletto" cavo di vetro, contenente aria ed acqua ed immerso in un cilindro di vetro chiuso da una membrana elastica. Esercitando con il pollice una pressione sulla membrana, il diavoletto affonda, e diminuendo la pressione esso risale. Infatti, premendo sulla membrana, questa trasmette la pressione sull'aria, ed essa a sua volta all'acqua, che è forzata ad entrare nel diavoletto, cosicché l'aria in esso contenuta è compressa. Divenendo più pesante, il diavoletto affonda; togliendo il dito, l'aria riprende il volume originario, espelle l'acqua e il diavoletto risale. Questo è il principio su cui si basa la vescica natatoria dei pesci. Ecco un filmato che illustra questa spettacolare esperienza!
	Questa foto, scattata dall'amico Sandro Degiani durante un suo viaggio in Tunisia nell'estate 2007, ci è utile per illustrare il principio di galleggiamento delle navi. Il legno di cui è fatta questa nave ha una densità assai maggiore di quella dell'acqua, ma la forma dello scafo è tale che esso sposta una quantità d'acqua più pesante di esso, e questo le consente di galleggiare e di navigare tranquillamente!
	Questo esemplare di mongolfiera è stato fotografato da Gaia Macchi al Museo Nazionale della Scienza e della Tecnica di Milano. Inventata dai fratelli Joseph-Michel (1740-1810) e Jacques-Etienne Montgolfier (1745-1799), essa consentì all'uomo di staccarsi dal suolo per la prima volta. Si tratta in buona sostanza di un pallone riempito d'aria calda grazie ad un semplice bruciatore posto subito al di sotto dell'involucro; grazie al principio di Archimede, esso "galleggia" sull'aria fredda circostante. In realtà quello presente al Museo è solo un modellino, essendo l'involucro troppo piccolo per sostenere il peso della navicella.
	Uno strumento classico: un pallone di vetro utilizzato per pesare l'aria. In pratica lo si pesa, poi si estrae tutta l'aria con una pompa a vuoto, si pesa nuovamente e la differenza costituisce il peso dell'aria all'interno. In realtà non si pesa affatto l'aria ma la spinta idrostatica che il pallone sente, immerso nell'atmosfera, dopo essere stato svuotato, proprio come lo scafo di una nave, internamente cavo, avverte la spinta dell'acqua che lo fa galleggiare. Proprio questa spinta aveva fatto erroneamente concludere ad Aristotele che l'aria non pesa!
	Quello qui fotografato è un esemplare pressoché storico di pompa ad aria, utilizzato per gonfiare pneumatici di bicicletta. Si tratta di una pompa ad aria detta « aspirante-premente », funzionante ad azionamento manuale, che sfrutta un semplice sistema di valvole di non ritorno. Quando si solleva lo stantuffo con due mani, si chiude la valvola di mandata, che mette in diretta comunicazione la camera d'aria con il tubo collegato allo pneumatico, mentre si apre quella che aspira aria dall'esterno; quando lo stantuffo è abbassato, è quest'ultima a chiudersi e la prima ad aprirsi, cosicché l'aria viene spinta nella gomma.
	Un apparecchio insostituibile per le esperienze di Fisica (soprattutto per quelle di Termodinamica) è la pompa a vuoto, in grado di aspirare gran parte dell'aria da sotto una campana di vetro o da altri dispositivi, come quello fotografato subito sotto. Il modello raffigurato è un po' datato ma tuttora perfettamente funzionante. Si noti che essa ha esattamente lo scopo opposto della pompa a mano precedente; quella inviava l'aria dentro una cavità, questa invece ha lo scopo di pomparla fuori!
	Dopo l'idrostatica, l'idrodinamica. Questo strumento è una semplice pompa idraulica, del tipo utilizzato dentro le comuni lavatrici, smontato dal mio allievo Davide de Alberti (III B cl. 2005/06) e portato in classe a scopo dimostrativo. In basso a sinistra si scorge la girante della pompa, mentre nel pezzo smontato a destra si possono vedere l'ugello di afflusso e quello di deflusso dell'acqua.
	Questo aspiratore chirurgico, fotografato in una stanza d'ospedale dietro permesso dei medici curanti, non è altro che un'applicazione per uso medico delle pompe sopra descritte, necessario ad esempio per aspirare liquidi organici dalla gola di un paziente, che altrimenti potrebbe soffocare. La pressione di aspirazione è regolabile tramite un'apposita manopola, visibile sulla destra del quadro comandi, mentre un vuotometro (cioè un manometro) indica il valore raggiunto da tale pressione. Si noti che i suoi valori sono negativi, come comporta il fatto che la macchina funzioni solo in aspirazione (si arriva fino a - 1 bar). Naturalmente lo strumento è dotato di filtro antibatterico monouso.
	Altre due pompe, molto più complesse e sofisticate della precedente, e tuttora in funzione, comandano l'impianto termico della casa dell'autore di questo sito. Si noti che la pompa, necessaria alla circolazione dell'acqua calda nell'impianto dei caloriferi, è doppia, in modo da poter periodicamente spegnere l'una e far funzionare l'altra, onde ridurre i rischi di usura. Se la pressione del liquido diventa localmente inferiore alla sua tensione di vapore, la pompa subisce il fenomeno della cavitazione, cioè nella colonna d'acqua si formano cavità piene d'aria, che possono danneggiare gravemente lo strumento.
	Un componente essenziale di ogni impianto idraulico è la camera di compensazione o polmone. In pratica è uno spazio chiuso in cui si produce un battente d'acqua sovrastato da aria (cioè l'acqua non lo riempie completamente e sopra il pelo dell'acqua c'è una bolla d'aria); le variazioni di pressione in tal modo non fanno scoppiare i tubi, ma vengono compensate dall'aumento o dalla diminuzione del livello dell'acqua nel polmone. Accanto ad esso si vede un manometro.
	Anche gli impianti idrici più grandi hanno una camera di compensazione: è il caso dell'acquedotto comunale di Lonate Pozzolo (VA), il comune di residenza di chi scrive. Esso era utilizzato, prima dell'avvento delle grandi pompe meccaniche, per permettere all'acqua di arrivare fino ai rubinetti dei piani più alti degli edifici, in base al principio dei vasi comunicanti (vedi). La torre in questione è alta 40 metri, e sopravanza gli alti abeti circostanti.
	In questa foto mi trovo al Museo Nazionale della Scienza e della Tecnica di Milano il 26/02/2005, e la mia studentessa Gaia Macchi (III B cl. a.s. 2004/05) mi ha fotografato accanto alla girante di una turbina Francis, nella sezione del Museo dedicata alle fonti di energia. Ci sono tre tipi di turbine ad acqua: Kaplan, per bassi dislivelli; Francis, per dislivelli intermedi; e Pelton (o "a cucchiai") per dislivelli molto grandi. Queste turbine sono fondamentali negli impianti idroelettrici per la produzione di energia, come quello che viene illustrato qui sotto.
	Dopo la turbina Francis, ecco una turbina Pelton, dalle tipiche pale a forma di cucchiaio; è così detta perchè fu inventata nel 1879 dal carpentiere Lester Allan Pelton, mentre lavorava in California, e risulta la turbina con rendimento più elevato. È utilizzata per grandi salti (di solito tra i 300 e i 1400 m) e piccole portate (inferiori a 50 m³/s). La foto mi è stata inviata da Giuseppe Biundo, ingegnere laureatosi a Catania, che ha studiato le antiche centrali idroelettriche del Parco delle Madonie, ed appartiene ad una centrale idroelettrica in contrada Paratore (PA), entrata in funzione nel dopoguerra.
	Questo collage di immagini, dovute ancora all'amico Giuseppe Biundo, ci mostra gli antenati delle moderne centrali a turbine: antichi mulini idraulici fotografati sulle Madonie, che sfruttavano il « carbone bianco » generato dalle abbondanti acque di pioggia e dallo scioglimento delle nevi che alimentano i fiumi Imera Settentrionale, Roccella, Pollina e Imera Meridionale: lungo di essi già nell'XI secolo sono documentate le "flomarie molendorum madonite", frutto del patrimonio di conoscenze che gli arabi ebbero dell’acqua. Una ruota idraulica del tipo di quelle qui illustrate poteva produrre una quantità di farina pari a quella macinata da 40 uomini con macine a mano. Si osservino in particolare gli straordinari apparati molitori qui rappresentati.
	Sempre grazie alla generosità di Giuseppe Biundo, che mi ha fornito queste sue fotografie, posso pubblicare anche un'immagine composita che illustra quanto resta di una centrale idroelettrica costruita nel 1908 a Petralia Sottana (PA) in località Catarratte, nel Parco delle Madonie. In alto a sinistra si vedono le condotte forzate, che portano l'acqua alle turbine coprendo un dislivello di 160 m; in alto a destra c'è il quadro di controllo e misura; in basso a sinistra i gruppi turbina-generatore; in basso a destra le vasche di carico. La centrale produceva corrente elettrica alternata trifase, e rimase in esercizio sino al 1976.
	Questa foto, cortesemente speditami dalla collega Antonietta Nisi, rappresenta un ariete idraulico. Che cos'è? Se in un condotto percorso da acqua viene bruscamente arrestato il flusso del liquido, la velocità crolla a zero, ma l'energia cinetica della massa liquida non si annulla, ed aumenta notevolmente la pressione dinamica del liquido contro le pareti. Di conseguenza il liquido rifluisce verso il serbatoio dal quale proviene e si innalza al disopra del livello originario. Per via dell'improvviso aumento della pressione dinamica si sente, alla chiusura del condotto, un colpo secco detto colpo d'ariete. Si riempie l’apparecchio di acqua versandola nell’imbuto, si preme la valvola in basso, l’acqua fluisce e raggiunge una velocità costante; si lascia allora la valvola, che si chiude: contemporaneamente l'acqua sale nel tubo piezometrico e una certa quantità si riversa nell’imbuto.
	L'esperienza qui illustrata, e realizzata dal prof. Giovanni Brazzelli (del quale si vede la mano), è la misura della viscosità di un fluido attraverso la caduta di un grave. A sinistra si vede il materiale necessario per l'esperienza: un cilindro graduato, del fluido viscoso (in questo caso del bagnoschiuma), delle palline di metallo di cui si misura la massa con la bilancia elettronica ed il diametro mediante il calibro, in modo da determinarne la densità. Anche la densità del fluido viscoso è determinata pesando il cilindro graduato, sottraendo la tara e dividendo per il volume. Come si vede a destra, il prof. Brazzelli lascia cadere la sferetta dentro il fluido viscoso (per farla cadere a partire dal livello del fluido si può usare una pinzetta, mentre la calamita serve per recuperare la pallina metallica al termine dell'esperienza)...
	...Intanto un altro studente misura il tempo necessario alla caduta, fissando un livello di partenza e uno di arrivo; per esempio, se il cilindro è tarato da 0 a 250 ml, si scelgono 200 ml come partenza e 50 ml come arrivo, in modo che la velocità di caduta del grave nel fluido viscoso abbia il tempo di andare a regime. Infatti l'attrito viscoso del fluido sulla sferetta fa sì che essa cada con velocità costante, e non di moto accelerato, come mostra questo breve filmato digitale. Determinando la velocità di caduta (dividendo lo spazio per il tempo) si risale con una nota formula alla viscosità misurata in Poise (0,1 Pascal per secondo). Se il diametro della sferetta diminuisce, diminuisce anche la velocità di caduta, come mostra questo secondo filmato.
	È giusto chiudere questo Armadio Virtuale con un cenno all'aeronautica. Questa foto è stata scattata dal sottoscritto nei pressi di Malpensa 2000 e ritrae un aereo in fase di atterraggio. L'ala è sagomata in modo che il flusso dell'aria sopra di essa è diverso da quello sotto di essa; in base al Teorema di Bernoulli, le diverse velocità producono una diversa pressione, e ciò si traduce in una spinta effettiva verso l'alto dell'ala, chiamata portanza. Se l'aereo rallenta la portanza cessa ed esso cade in stallo.
	Dopo l'aereo, l'elicottero. Questo esemplare di NH90, realizzato dalle NHIndustries ed ampiamente utilizzato dall'esercito italiano, mostra un classico esempio di ala rotante, in cui la portanza è data non dall'alta velocità del mezzo, ma dalla rapidissima rotazione delle due pale. In tal modo l'elicottero può sollevarsi dal suolo praticamente da fermo. L'elica di coda serve ad impedire che le pale restino ferme e ruoti invece l'elicottero.
Cliccate qui per scaricare alcune schede per realizzare molte delle esperienze di questa galleria
Queste immagini possono essere liberamente utilizzate da chiunque, purché se ne citi la fonte

Torna alla galleria immagini del mio sito