Fisica per Scienze Naturali (2018/2019)
(G. D'Agostini)


 

Raccolta delle 'copertine'

Fisica del giroscopio

Attenzione: la formula del 'torque' (="momento della quantità di moto") τ
che appare dopo 1:10 è errata, in quanto raggio e forza sono scambiati!]
 
Versione casereccia ottenuta 'hackerando' un hand spinner


(Immagine da questo sito)
Note sulla formula della massa (vari refusi): Inoltre

Azione e reazione... in azione

La sonda è spinta avanti dal gas espulso dietro:

 
 
  Il vapore espulso fa girare il recipiente:
 
 
  ... e la pista spinge l'atleta in avanti(*)
 
(*) ma non lo dite a chi non conosce il terzo principio, se no vi prendono per matti...
Apparente violazione della conservazione del momento della quantità di moto

 
Altro video (con immagini storiche)
 
Come si muove il centro di massa del gatto durante la caduta? (Trascurando la resistenza dell'aria)
 
[Ma la 'fisica del gatto' di cui parla il video è un po' più complicata. Al momento ci accontentiamo del moto del centro di massa.]
Fluidi in movimento ed Equazione di Bernoulli

[Da Franco Dupré, Lezioni di Fisica, Vol. 2, vedi argomenti]
Pressione in un fluido in moto orizzontale
Legge di Torricelli (consequenza dell'equazione di Bernoulli)
 
 
(Attenzione: la linea tratteggiata non indica l'andamento della velocità con la profondità)
Aumento di inerzia alle rotazioni dei funamboli mediante lunga pertica
Conservazione del momento della quantità di moto
Acrobati in azione
Nota sui termini: [(*) Ma non usare assolutamente il nome impulso per la quantità di moto, come purtroppo si incontra in certi libri e anche su Wiki: la quantità di moto è una proprietà di un corpo (in un certo sistema di riferimento), come lo è la velocità o l'energia cinetica; l'impulso è invece la `spinta' che dà forza ('forza per tempo di azione').
Parlando di `impulso di un oggetto' si fa lo stesso errore concettuale che sui compie dicendo 'lavoro di un oggetto'. Si parla invece di lavoro di una forza e di impulso di una forza, i quali variano rispettivamente energia cinetica e quantità di moto (o momento lineare).]
Rolling racers
 

  Energia potenziale → energia cinetica → di traslazione e di rotazione
→ l'oggetto rotolante con maggior momento di inerzia acquista la minore energia cinetica traslazionale (e quindi maggiore velocità 'traslazionale')
(la `competizione' sarabbe stata vinta da un punto materiale che scivola senza attrito!)
Dragsters

  ...ovvero aumentare il momento di inerzia
per sopportare grandi accelerazioni (e quindi grandi momenti di forze rispetto a suolo) senza impennare.
Effetto venturi in azione
(Da wikipedia)
Pressione nei fluidi
Principio di Pascal in azione
Pendolo balistico
Urti elastici
Caso di una massa doppia dell'altra, |v2|= |v1|

Masse uguali, con uno dei corpi a riposo (scambio di velocità!)(*)

Masse uguali, con i due casi di |v2|= |v1|/2
[(*) caso ben noto ai giocatori di biliardo]
Rimbalzi regolamenteri dei palloni di calcio
→ Uniform rebound test
Luna del 16 maggio (22:24)
Valutazione del diametro angolare [Soluzione: l'App Sole, luna e pianeti dava 32.0']
Oscillazione di un pendolo semplice
Moto del pendolo: vettori velocita' (blu) e accelerazione (rosso) in funzione del tempo           Moto del pendolo: forza di gravita' (marrone), del filo (verde) e totale (rosso) in funzione del tempo           Moto del pendolo: componenti tangenziale e normale della forza di gravita'
[ Cosa rappresentano le varie frecce? ]
Uso telemetrico di una macchina fotografica (problema 31.4)
 
[(*) Focale equivalente ('35mm', o 'full frame'): 720 mm]
Angolo di campo di una 'full frame' (lungo la diagonale!)
 
(vedi anche Wiki, in particolare gli esempi)
Batteria per autoveicolo
→ problema 31.2
Andamento nel tempo della quota della stazione cinese Tiangong
 
 
Quanta energia serviva per 'risollevarla' da 350 km a 400 km? (m = 8.5 tonnellate).
→ problema 31.1
Potere calorifico dei vari combustibili
Dettaglio di una busta di pellet.
 
Per capire la convenienza dei vari combustibili bisogna tener conto del potere calorifico (riportato in MJ/kg, in kWh/kg o in kcal/kg), del prezzo al chilogrammo, del costo dell'impiano, della comodità di esercizio, etc. etc.
Potenza (e prezzo) di elettricità, gas e pellet:
Potenza dei ciclisti nello sprint di arrivo (!!)
Diga di Castel Giubileo

Energia potenziale gravitazionale per una massa di 1 kg

(Distanza dal centro della Terra in unità del raggio terrestre)

Energia potenziale elettrica


[Curve di energia potenziale a seconda dei segni delle cariche]
Giro della morte
 
Video interessante (finché parla del giro della morte, poi si perde con cose ad effetto che non vengono spiegate) che però non giustifica la ragine per cui la forza centripeta nel punto più in alto debba essere maggiore di mg. Il motivo è perché ci deve essere anche una reazione vincolare della guida, senza la quale viene meno la condizione di contatto (vedi 'argomenti delle lezioni').
Uso della leva per `moltiplicare la forza'

"δός μοι ποῦ στῶ καὶ κινῶ τὴν γήν."
 
Uso di sistemi di carrucole per `moltiplicare la forza'

 
[  Da Wikipedia: si notino i rapporti di moltiplicazione e gli spostamenti degli estremi ]
Uso telemetrico della macchina fotografica
[Foto 27 maggio 2017]
 
    
6000 px × 4000 px
23.5 mm × 15.6 mm
f = 217 mm; ISO 3200; 2 s; f/5.6 		     6000 px × 4000 px
23.5 mm × 15.6 mm
f = 300 mm; ISO 800; 6 s; f/5.6
Problemini (sui quali torneremo):
Candela, lumen(*) e lux

Figura da prendere cum grano salis perché potrebbe confondere più di quanto chiarisca (scaricata da link che ora dà problemi)
 
[(*) In realtà il lumen non indica la quantità di luce ('amount of light'), coe si legge nella figura, bensì il flusso luminoso ('amount of light per unit of time'); la 'quantità di luce' è data invece dai lumen×secondo ('lm×s'), talvolta chiamato talbot (per chi fosse interessato ad approfondire e riesce a decifrare il tedesco, la voce tedesca Lumensekunde sembra più accurata)]
Simpatiche analogie fra flusso luminoso e flusso di acqua e grandesse correlate
 
    
Tipica utlizzazione di piani inclinati
[Foto da qui]
Energia potenziale, lavoro eseguito dalla forza peso e energia cinetica finale

Mulinello di Joule

[Altre risorse in rete]
Esposizione corretta e sotto/sovra-esposizione
[Differenze in 'stop' (o 'EV') rispetto all'esposizione 'corretta'
(che può anche essere questioni di gusti o uso che si vuol fare dell'immagine)]
 
-2 -1 0 (OK) +1 +2
Dalle immagini (da Phototutorial) si capisce chiaramente il motivo per cui i valori settabili di tempi e diaframmi delle fotocamere classiche (vedi foto sotto) variavano la quantità di luce di fattori 2: valori intermedi cambiano poco l'esposizione (quelle digitali hanno anche la possibilità di variarla di 1/2 stop o di 1/3 stop).
Camera oscura
e sua realizzazione con una scatolina di cartone e carta da forno
       
(ma ha bisogno di un oggetto fortemente illuminato!)
Formazione di immagine in una fotocamera
         
Dimensioni dei sensori delle fotocamere digitali.(*)  
 

 
 
 
(*) I valori possono differire leggermente fra vari modelli. Cercare le specifiche della fotocamera di interesse.
Lenti concave e convesse

 

 
Da notare come, oltre ai fenomeni di rifrazione su cui si basa il modello elementare di lente, ci siano riflessioni e rifrazioni di raggi riflessi.
(Se gli obiettivi per fare buone foto non sono tanto economici un motivo ci sarà...)
Raggi notevoli per la costruzione delle immagini
         
 
Nota: Anche nel caso delle lenti, oltre al raggio parallelo e quello (o suo prolungamento) passante per il fuoco, c'è un terzo raggio 'notevole', in questo caso quello passante per il centro (in rosso nella figura e chiamato dagli autori della stessa 'raggio M'). Ma è bene abituarsi ad usare preferibilmente i primi due, che sono di validità più generale e per l'analogia fra specchi e lenti.
 
[Per capire la funzione dello strano oggetto ('soffietto') fra obiettivo e fotocamera si risolvano i problemi 26.3.d e 26.3.e del quaderno individuale.
(E si capirà anche l'ambientazione della macchina fotografica nella natura.)]
Deviazione della luce nel passaggio attraverso una lastra piana
Uso stradale di specchi convessi
         
Immagine in un diottro cilindrico (bottigliette di Tiger)

 
[ a sinistra bottiglia vuota; a destra riempita con acqua ]
 
Purtroppo (almeno al momento) il diottro è non previsto nel programma.
Specchio concavo
oggetto oltre il fuoco oggetto fra specchio e fuoco
Schema qualitativo di immagini reali e virtuali
      
Si raccomanda di prendere esperienze con immagini reali (ad es. di lampadine) facendo uso di 'specchi concavo' casalinghi, come cucchiai, mestoli e tazze.
→ si dovrebbe vedere l'oggetto riflesso fluttuante nell'aria, fuori dallo specchio.
Dispersione della luce in un prisma simulata con Algodoo
 
(Si noti come il programma simuli anche riflessioni parziali sulle superfici di separazioni fra i diversi mezzi)

 
[27/3/2015 18:09; ISO 125, f/4, 1/160 s, “36mm”]
Da notare:
Fisica dell'arcobaleno
Altri link:
Mano con sfera riflettente (Escher)
     
Specchio piano: schema di formazione dell'immagine
Schiacciamento del sole al tramonto
 
(Foto 16 maggio 2018)
Classico esempio di rifrazione
Innalzamento apparente del fondo della piscina in funzione della distanza(*)
  [(*) Maggiore distanza implica maggiore angolo rispetto alla normale]

[Foto 17/04/2019]
  "Mamma, andiamo dall'altra parte che l'acqua è più bassa!"  :-)
`Riflessione' (per così dire) in un prisma retto
 
Immagine presa dal sito dell'Istituto di Istruzione Superiore "Da Vinci - De Giorgio" di Lanciano (CH) che contiene un'ottima introduzione all'ottica
Miraggio
Schematizzazione di rifrazione più riflessione totale in un miraggio 'inferiore'
 
 
(Densità dell'aria e quindi indice di rifrazione scendono andando verso il basso)
Miraggio superiore
Vedi anche
Rifrazione astronomica
(vedi anche Wiki inglese e italiano)
Effetto della rifrazione sul sorgere e tramonto del sole
 
 
Il sito contiene anche una interessante figura della deviazione della luce in funzione dell'angolo rispetto allo zenit.
Tramonto dopo la pioggia (10/5/2018, 20:09)
 
 
Provare a misurare il rapporto fra diametro del sole verticalmente e orizzontalmente: perché il sole risulta schiacciato? (Ci ritorneremo)
(Altra foto scattata poco dopo. A che distanza è, circa, il gabbiano? E il palazzo?)
Misure (pratiche) di densità di liquidi
Lunghezza d'onda, colore e dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza dl'onda
Cercare di memorizzare, seppur qualitativemente, la relazione fra colore, lunghezza d'onda e indice di rifrazione (dell'acqua)
Giove 'intorno' alla Terra (→ epicili)
 
(Posizione di giove nel sistema di riferimento della Terra)

 
Idem, ma solo quando Terra e Giove sono circa 'dalla stessa parte rispetto al Sole' (la parte in grigia corrisponde a quando Giove è più lontano)
[Siccome il movimento di Giove è 'mediamente' levogiro,
quando tale pianeta è vicino a noi il movimento ci appare retrogrado.]
Lunghezza d'onda, colore e dipendenza dell'indice di rifrazione dalla lunghezza dl'onda
Immagine presa da qui
(con tanti interessanti dettagli quantitativi sull'arcobaleno, che vanno ben al di là di quelli a cui possiamo interessarci nel nostro corso)
Diminuzione o aumento della frequenza a causa del moto della sorgente
 
... analogo del famoso effetto Doppler che associamo al passaggio di ambulanze...
Uso del red shift in astronomia
(Da una singola riga non si capirebbe niente; è lo spostamento solidale di tante righe a permettere di valutare la velocità del corpo celeste)
Simulando si impara...

Algodoo (*)

(*) Da ritenersi facoltativo, ma raccomandato da chi ha tempo e voglia di imparare, indipendentemente dal corso.
Valutazioni del cervello delle distanze ... e illusioni prospettiche
 
 
(Ma, francamente, l'effetto prospettico di 'ingigantire' la statua purtroppo è rovinato dalle aiuole, le quali ridefiniscono le dimensioni e quindi riportano le dimensioni della statua a quelle reali -- dubito che Borromini avrebbe approvato)
Epitaffio di Stevino e visualizzazione grafica delle forze in gioco
 :
(Sull'importanza concettuale di questa figura torneremo a lezione)
 
Volume di una sfera sommando i volumi (infinitesimi) delle infinite fette di spessore infinitesimo
 
Rispetto al caso del cono (per la semisfera a destra):
Il satellite di Giove Io e la prima evidenza della velocità finita dela luce
 
Gocce di pioggia che cadono oblique rispetto a chi è in movimento
 

  ... e luce di una stella allo zenit che 'cade' obliqua sulla Terra
 

 
[ Animazione da Wikipedia ]

 
Nota: in realtà questa rappresentazione (classica) implica che la velocità della luce per un osservatore sulla Terra (VF, per usare la notazione della figura) sia maggiore di c, cosa che viola la teoria della Relatività Ristretta, secondo la quale la velocità della luce è la stessa in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
La spiegazione dell'osservazione di Bradley(*) ha avuto grande rilevanza nello svilutto della Fisica fino alla consolidazione della teoria della Relatività di Einstein.
Per approfondimenti (assolutamente fuori programma) vedi la voce Aberration of light di Wikipedia.
 
[ (*)Oltre all'aberrazione della luce dovuta al movimento della Terra, Bradley scoprì anche il fenomeno della Nutazione. ]
Letture raccomandate (senza urgenza)
     
(Il sottotitolo italiano di Longitudine non rende bene l'idea)  
Volume di un cono sommando i volumi (infinitesimi) delle infinite fette di spessore infinitesimo
 
→ In analogia ricavarsi la formula del volume di una piramide.
Equazione delle onde
(*) Nota: la grandezza fisica funzione di spazio e tempo del tipo f(x,t) = A cos(ωt - βx), come visto a lezione, non è in generale la posizione di un punto materiale.
Nel caso di onde elettromagnetico sono i valori di campo elettrico e magnetico, come mostrato nell'animazione che segue.
 
Onde elettromagnetiche

L'animazione mostra le oscillazioni nello spazio e nel tempo di campo elettrico (in rosso) e campo magnetico (in blu),
che oscillano trasversalmente alla direzione di propagazione dell'onda
(campo elettrico e campo magnetico sono vettori)
Principio di Relatività di Galileo
Vedi qui per l'articolo completo (4 pagine)
Legge di Stefan-Boltzmann
Immagine presa da qui
L'emissività ('e', anche se più spesso indicata con ε) vale 1 per un corpo nero ideale (caso visto a lezione, valido per il Sole), altrimenti è minore di 1.
Spettro di 'corpo nero' a varie temperature (legge di Planck) (immagine presa da qui)
 
Si noti come λmax si sposti `verso sinistra' all'aumentare della temperature (legge di Wien).
Corrispondenza fra lunghezza d'onda e colori.
Spettro della luce solare (immagine presa da qui)
Nota: in questa figura sull'ascissa è riportata la lunghezza d'onda
e quindi si va dall'ultravioletto (a sinistra) all'infrarosso (a destra),
opposto del riquadro sottostante, nel quale la radiazione eletttromagnetica
è riportata per frequenze (e quindi energie) crescenti.
Spettro elettromagnetico
Luna cinerea del 7 aprile
Moto del pendolo: vettori velocita' (blu) e accelerazione (rosso) in funzione del tempo           Moto del pendolo: forza di gravita' (marrone), del filo (verde) e totale (rosso) in funzione del tempo           Moto del pendolo: componenti tangenziale e normale della forza di gravita'
[ Cosa rappresentano le varie frecce? ]
    
Ricorda qualcosa? (anche numericamente)
→ vedi quaderno individuale, lezione 17 (4 aprile)
Resistenza dell'aria
Dal "cannone di Newton" alla derivazione di Feynman della velocità di un corpo in orbita circolare
 
       
 
[ Dai Principia di Newton ]
 
[ da La Fisica di Feynman]

Il cosiddetto 'cannone di Newton' è un esperimento concettuale per far capire che le mele che cascano e la luna che gira derivano dalle stessi leggi della Fisica.

La figura a destra è stata utilizzata a lezione per calcolare, con il sussidio di due teoremi di geometria(*), la velocità di orbita radente.
(*) Il primo serve a dimostrare che il triangolo mostrato in figura e la cui ipotenusa è il diametro terrestre è un triangolo rettangolo;
     il secondo è quello per cui l'altezza, indicata in figura con x, è media proporzionale fra le proiezioni dei cateti sull'ipotenusa.


[Immagine da qui]
Forza di attrito statico
 
Valutare l'ordine di grandezza della forza di attrito statico esercitata su ciascun arto.
Uso di un tubo a U per la misura della sovrappressione all'interno di un palloncino
 
 
[Vedi anche tubo manometrico su Wiki]
Riproduzione scolastica del piano inclinato con i campanelli di Galileo Galilei
 
Aristarco di Samo

[Immagine da Gruppo astrofili di Schio
[ stessa vy0;   diverse vx0 ] [ stessa vx0;   diverse vy0 ]

 
Proiettili lanciati nello stesso istante con stessa velocità in modulo ma diversa angolazione. La traiettoria indicata in rosso corrisponde a 45 gradi.
 
Emisferi di Magdeburgo
[Video]
Pressione nei fluidi
Vasi comunicanti
            Q    +
  • Esperimento concettuale di Newton ('cannone di Newton') per spiegare perché le mele cascano e la luna gira:


    [Lanci orizzontali per diverse velocità iniziali (a rallentatore!)]
     
     
    Moto circolare uniforme e oscillazione delle coordinate del punto rotante
    Rivedere l'animazione come il moto sincrono di Inoltre, l'oscillazione del puntino rosso può essere associata a quella (a rallentatore) della massa sospesa all'estremità di una molla.
    Prima osservazione del vuoto (di poco antecedente a quella di Torricelli)
               
     
    [Posizione dei pianeti giovedì 21 marzo (immagine a destra non in scala!)]
    Le immagini sono screnshot dell'app Sole, luna e pianeti
    Osservazione della stazione orbitale ISS 22 e 23 marzo
    Per dettagli vedi qui
    Consequenze sull'innanzamento di livello dovute allo scioglimento di ghiaccio galleggiante?
      (Problema 7.2 del quaderno indviduale)
            
    Realizzazione di Alice R. (26/3/2018)
    Accelerazione di gravità a partire dal centro della Terra e parametri di orbite circolari
    (distanza in unità di raggi terrestri)




    [La linea tratteggiata verde indica il raggio dell'orbita geostazionria]

    [ Rotazione della Terra e di un satellite geostazionario (da Wikipedia − vedi anche qui) ]

    [ Colpo d'occhio su alcuni parametri orbitali (da Wikipedia) − Nota: le orbite reali non sono coplanari!(*) ]
     
    (*) Solo i satelliti geostazionari hanno l'orbita sul piano equatoriale,
    come mostrato invece nella figura al fine di confrontare i vari parametri.
    Le dimensioni della Terra (palesemente vista dal Polo Nord) e delle varie orbite sono in scala(!).
    Le quattro scale mostrano i parametri orbitali in funzione della distanza dalla Terra ('Mm' sta per 1000km).
    Arcano del livello dell'acqua con l'incudine a bordo o sul fondo
    (problema 8.7 del quaderno individuale).

     
    Realizzazione di Alice C. T. (20/3/2018)
    Oggetto sospeso a molla, allontanato dal punto di equilbrio
    (la tensione dell'elastico ci dà un'idea della forza applicata, e quindi della forza di richiamo della molla).
     
       

    [ Vedi @dennisstever su Instagram, post del 28/11/2018 ]
     
    Da che distanza è stata effettuata la foto? (ammesso che non sia un montaggio, ma la sostanza non cambia)

     

    [Ombra della Terra sulla Luna:
    provare a emulare Aristarco di Samo]

     
    Moto circolare uniforme e oscillazione delle coordinate del punto rotante

    Da che distanza dalla base della Minerva è stata scattata questa foto?

    (Variante del problema del Cupolone)

    [ Foto 3/10/2018 ]
    Dati
    Luna cinerea

     
    [Roma 9 marzo 2019, 19:24]
    Diametri angolari

     
     
     
    [ Ma può essere più utile memorizzare i reciproci degli angoli espressi in radianti! ]
    [ E, comunque, le dimensioni angolari variano da persona a persona ]
    Da quanti chilometri da San Pietro è stata effettuata, approssimativamente, questa foto?(*)
    (*) da flickr  
    Storia dell'efficienza luminosa

    [ Storia dell'efficienza luminosa (Y. Narukawa et al.), ove 'lm' sta per lumen ]
     
    Per confronto,
               
     
    [Archimede & Newton (3th Principle) at work]