Fisicamente

di Roberto Renzetti

Roberto Renzetti

          E’ un mondo pieno di informazioni quello che ci circonda. Tutti crediamo di sapere tutto e, se non lo sappiamo, abbiamo la scatola magica alla quale chiediamo. Ci arrivano tante risposte e noi a volte non sappiamo capire qual è quella che ci serve, quella corretta, quella che non è approssimata o superficiale. E’ difficile capire come stanno le cose se non abbiamo una guida, se non sappiamo come orientarci per decidere quale strada scegliere. A volte quell’infinità di notizie, di informazioni ci fanno ripetere come piccole scimmiette alcune parole che definirebbero ciò che cerchiamo. Ed allora se ci chiedono di cosa si tratta, recitiamo la poesia che abbiamo letto e che crediamo sia esauriente per spiegare davvero cosa abbiamo letto e cosa volevamo sapere e capire.

Io che scrivo sono molto più avanti negli anni di voi che leggete. Io non avevo questa montagna di informazioni intorno a me quando iniziavo a cercare di capire il mondo nel quale mi muovevo. Si potrebbe concludere che allora ero privato di molta conoscenza rispetto a voi. Ma non credo le cose stiano così. Almeno se vado a riferirmi al capire davvero, all’andare a fondo anche nei piccoli dettagli su cose apparentemente banali e non certo sulle complicazioni che sono alla base della costruzione delle scatole magiche, i nostri PC, portatili, iPhone. Scommetto che voi non sapete, come me, come sono fatte quelle macchine, piccole ma sapientissime. Scommetto che, se anche lo chiedete ad esse, non sanno rispondervi in modo che possiate capire. Non vi sono poesie semplici che raccontano cose piccole e complesse come quelle. Dobbiamo quindi rinunciare a capire? Io credo di no. Anzi, credo che queste sono le sfide più intriganti che un giovane deve assumere. E, sentite uno che ha molti anni più di voi: sono queste sfide che vi fanno adulti, in grado di capire davvero queste e molte altre cose. Ma come fare per arrivare fino a queste conoscenze complesse? Occorre un primo passo, il più difficile. Occorre con molta umiltà partire dalle cose più semplici. Non ci si squalifica se si inizia a tentare di capire, chessò, la pioggia, il vento, le stagioni, le maree, le onde del mare, …, i colori, … Questo è il mondo naturale, quello che è intorno a noi e che spesso trascuriamo per correre dietro a definizioni astruse di cose che in realtà non abbiamo mai capito.

Vi racconto un episodio banale di tantissimi anni fa, quando iniziavo ad insegnare. Un giovane come voi, che aveva in casa 2 piccoli cagnolini, doveva fare una ricerca che riguardava il cane. In assenza di scatole magiche il giovane prese l’enciclopedia che era in casa e copiò qua e là molte caratteristiche del cane. La portò al suo insegnante orgoglioso di quanto aveva fatto ma l’insegnante non apprezzò molto quel lavoro. Si rese conto che quella era la poesia ripetitiva di sempre dove non emergeva nessuna osservazione personale raccolta dal mondo che ci circonda e non da quanto altri avevano scritto. Disse al giovane che l’enciclopedia poteva certamente venire dopo, per completare alcune cose, ma la base della ricerca dovevano essere i due cagnolini che si avevano in casa. Alzargli una zampa, contare le unghie, toccare i tamponi tra le unghie per sentirne la consistenza. Alzargli le orecchie, la coda, … osservare cosa e come mangia, come comunica, quando abbaia, … Insomma quei due animaletti che ho in casa sono i due cani. Ma vi è un’osservazione molto più importante: se apprendo come si studia un cane, come devo avvicinarmi, cosa devo e voglio sapere, … imparerò qualcosa che va oltre il cane. Inizierò a entrare nel mondo dello scienziato che osserva, studia la natura che lo circonda e poi, magari molto poi, scriverà quella voce sul cane dell’enciclopedia. E’ più interessante ed utile apprendere come fare, come muoversi, piuttosto che memorizzare delle nozioni mai ben comprese e/o digerite. Quando si ha la vostra età si deve far lavorare la mente sul mondo che ci circonda al fine di costruirci una sua rappresentazione. Ma, si dirà, che questa non sarà completa, molto probabilmente sbagliata. Va bene così! Non esistono verità definitive, la conoscenza è una acquisizione continua di elementi che vanno a completare quanto abbiamo iniziato a fare … ma riusciamo nell’impresa, che è affascinante, solo se iniziamo a porci domande, quesiti, tentando di rispondere con argomenti via via più articolati. E’ così che cresciamo e non imparando a memoria anche una intera enciclopedia (questa parte di conoscenza verrà, ma dopo). Poiché le cose da conoscere sono infinite, non possiamo studiarle tutte. Meglio è imparare a conoscere come si conosce, come si arriva a porsi domande ed a dare risposte via via più convincenti. In poche parole il nostro fine dovrebbe essere l’imparare ad imparare.

Proprio perché sono convinto di quanto ho scritto, non vi propongo una piccola enciclopedia della scienza ma alcuni modi con cui si è costruita la conoscenza, la ricostruzione, magari fantastica, di alcuni possibili processi mentali che ci hanno fatto conoscere il mondo naturale, quello inanimato.

E, poiché vivo in un mondo in cui esiste una scuola dove queste cose si dovrebbero imparare, devo anche confrontarmi con il modo in cui le conoscenze vengono offerte. Posso anticipare che è l’economia di pensiero che spinge a dare conoscenze preconfezionate divenute verità indiscutibili. Ripercorrere i processi di pensiero anche solo per alcuni processi conoscitivi è più lungo, anche se più efficace, delle nozioni date in modo indiscutibile. In quanto dirò anche la scuola sarà un interlocutore, anzi l’interlocutore privilegiato perché la scuola, se benintesa, cioè democratica ed aperta a tutti, è la fonte della civiltà.

Ciò che dobbiamo provare a fare, insieme io e voi, è rispondere a quelli che in modo molto semplicistico sono chiamati i perché e che sono invece dei come. Spesso, anzi quasi sempre noi chiediamo il perché delle cose ed a questi perché abbiamo spesso delle risposte. Ebbene le risposte sono sempre al come e non al perché. Mi spiego con un esempio banale. Perché il sole tramonta? Possiamo raccontare tutto del sistema solare e rispondere ma in realtà stiamo parlando del come avviene il fenomeno e non del perché avviene. I perché non fanno parte della scienza, dell’attività umana ma solo di concezioni religiose, filosofiche, politiche, … che nulla hanno a che vedere con il mondo naturale. Comunque, per comodità userò anche io i perché ma solo dopo averne chiarito, come ho fatto, il significato.

PRIMA DI PORCI DELLE DOMANDE

          Una domanda nasce o potrebbe nascere dall’aver osservato qualcosa che ci accade intorno, quello che per semplicità possiamo chiamare un fenomeno. Qui dobbiamo iniziare ad essere scrupolosi con noi stessi: non possiamo fare domande se non siamo ben certi di cosa abbiamo osservato. Se si è certi di aver osservato un certo fenomeno quali spiegazioni ci siamo date, in risposta ai perché che ci siamo posti. Non sono, questi ultimi, quesiti da poco. È proprio dall’osservazione di ciò che ci circonda che nasce la scienza. Ma non basta. Occorre prima osservare. Poi tentare di capire cercando di costruirsi una immagine mentale del fenomeno, una prima rudimentale teoria. Occorre confrontare questa teoria con altri fenomeni che ci sembrano analoghi per verificare il suo funzionamento. Se le cose vanno esattamente come nel caso precedente la teoria si irrobustisce un poco. Se le cose vanno quasi allo stesso modo allora, forse, occorrerà un qualche perfezionamento alla teoria. Se le cose vanno in modo totalmente differente, allora dobbiamo gettar via la primitiva teoria per tentarne un’altra.

        Ma, intanto, l’esattamente, il quasi, il totalmente, come li determino? Qui occorre iniziare ad introdurre un esempio.

IL CHIODO ED IL MARTELLO

          Se faccio cadere da un tavolo un martello ed un chiodo, quale oggetto arriva prima al suolo? Come si vede qui l’esattamente ed il quasi giocano un ruolo fondamentale. Come determino quale delle due alternative è corretta? Non c’è altro da fare che mettersi a misurare con gli strumenti più opportuni (righelli graduati ed orologi). E il misurare è uno dei cardini della nostra ricerca: solo misurando possiamo confrontare le cose, i risultati delle nostre ricerche. La prima misura mi dice che hanno impiegato quasi lo stesso tempo, però il tempo che ha impiegato il chiodo è minore (è arrivato prima a terra). Non è possibile! E allora? Non resta altro che ripetere la misura, una, due, più volte. Magari si farà poi una opportuna media, ed allora si stabilirà se il modello mentale che ci siamo fatto funziona o no.

        Ma quale teoria siamo in grado noi di farci? Non vi sono limiti alla fantasia esplicativa, ciò che importa è che i successivi processi di misura confermino quello che abbiamo pensato. E, se non lo confermano, dobbiamo rinunciare alla nostra primitiva teoria. Ma con estrema tranquillità perché non si tratta di un fallimento ma di un primo passo alla comprensione di un fenomeno ed ogni passo fatto passo, come tale, è sempre positivo.

        E tra due diverse teorie che spiegano la stessa cosa qual è la migliore? In prima approssimazione: quella che spiega più cose e che è più feconda di nuove idee. Fermo restando che anch’essa, fra qualche tempo, può trovarsi in gravi difficoltà.

CONTINUIAMO CON L’ESEMPIO

        Consideriamo proprio il chiodo ed il martello che cadono da un tavolo ed il tempo che impiegano a raggiungere il pavimento.

        Credo che nessuno abbia dubbi sul fatto che il martello arriverà a toccare il suolo in un tempo più breve. E perché? Beh, vi sono varie risposte: perché pesa di più, perché ha un maggior volume, … Un momento, a ben pensare possiamo scartare l’ipotesi del maggior volume perché se lascio cadere una grossa scatola di cartone ed il martello, purché il martello pesi di più, sarà quest’ultimo ad arrivare prima al suolo.

        Si tratta quindi di andare a vedere se la nostra «teoria» funziona, se, cioè, gli oggetti più pesanti impiegano meno tempo a cadere da una stessa altezza.

        Quando, dopo accurate misure, ci accorgiamo che il tempo impiegato a cadere è lo stesso per il chiodo e per il martello allora, per rispetto al nostro senso comune, non resta che ipotizzare che tutti gli oggetti di ferro cadono da una stessa altezza impiegando lo stesso tempo. Riproviamo allora l’esperienza sostituendo questa volta il chiodo con un sassolino. Ora, è chiaro che sarà il martello ad arrivare prima al suolo. Di nuovo misure, di nuovo la nostra teoria non funziona: sassolino e martello impiegano lo stesso tempo. Ma come, non è possibile che tutti gli oggetti cadano da una stessa quota impiegando lo stesso tempo! Se lascio cadere una pietra ed una piuma, la piuma ne impiega di tempo! Sì ma la piuma si fa trasportare dall’aria, mentre il martello o la pietra rendono trascurabile l’effetto dell’aria. Ma allora, come facciamo a capire come stanno le cose? Se fosse possibile togliere l’aria da una stanza e lì dentro fare l’esperienza… l’idea è buona, si può pensare al modo migliore di realizzarla.

        Ma è rimasta in sospeso una questione implicita. Perché un oggetto cade?

LA “TEORIA DELLA CADUTA”

        Lasciamo cadere un sasso a terra.

        La caduta da cosa è originata?

        Ipotesi diverse:

a) dal peso del sasso;

b) dalla gravità;

e) dall’attrazione della Terra;

d) dall’ aria che lo spinge;

e) da una sorta di attitudine del sasso a tornare presso il suo luogo naturale.

        A questo punto però sorge una complicazione: il peso cos’è? E una proprietà insita nei corpi o esiste solo quando c’è l’aria? Se chiariamo questo punto possiamo, eventualmente, mettere insieme le alternative a e d. Ma, a ben pensare, se l’aria spinge, vuol dire che pesa anche lei (o no?). E se l’aria pesa, come facciamo a mostrarlo? Siamo in difficoltà. Si potrebbe forse pensare che la Terra attira sia l’aria che il sasso (ipotesi e). Allora la terra attira tutto.

        Alcune cose no. Ad esempio i palloncini che si comprano sulla spiaggia salgono in alto, allontanandosi dalla Terra. Siamo di nuovo in difficoltà. Forse cambiando un poco l’argomento in discussione, per analogia, riusciamo a capire meglio.

        Se ci mettiamo dentro l’acqua di una piscina e lasciamo cadere un sasso esso cade lo stesso, un poco più lentamente ma cade. Se lasciamo uscire dell’aria dai nostri polmoni essa, al contrario, sale e non scende. Quindi l’aria non è attratta dalla Terra. Anzi essa sembra andarsene in cerca dell’aria che si trova al di sopra della superficie dell’acqua. L’ipotesi e, quella della attitudine degli oggetti a tornare ai loro luoghi naturali, sembra prendere forza. Vediamo se funziona sempre. Un pezzo di ferro, se lasciato, dovrebbe sempre andare verso terra. Eppure una calamita è in grado di trattenerlo. Altre difficoltà.

        Occorre mettere ordine. Studiare a fondo ogni ipotesi fatta. Inventarsi esperienze che fortifichino o falsifichino una ipotesi di lavoro. E questo è fare scienza, è tentare di conoscere la natura in modo non ingenuo.

ANDIAMO PIU’ A FONDO

          Abbiamo visto in TV che gli astronauti “galleggiano” dentro l’abitacolo della stazione spaziale orbitante intorno alla Terra. Se fluttuano vuol dire che non pesano, quindi non hanno peso. Ma come è possibile? Quell’astronauta era una persona che sulla Terra pesava. Come è possibile perdere peso mentre continuo a vedere quella persona volteggiare dentro la stazione orbitante senza che apparentemente non ha perso nulla della sua figura, del suo volume? Deve esservi un’altra grandezza da dover considerare che non è il peso ma al peso deve essere associata in qualche modo.

          Chiamiamo questa grandezza con il nome di massa avvertendo però che il chiamare le cose con un dato nome non le spiega. Possiamo allora dire che la massa è una grandezza che rimane invariata anche se il peso varia. Cerchiamo allora di capire che legame c’è tra la massa ed il peso. Fosse qualcosa che ha a che fare con il volume? Se riflettiamo un poco ci rendiamo conto che il volume di un oggetto non ha nulla a che fare con il suo peso e, di conseguenza, non dovrebbe avere nulla a che fare con la sua massa. Pensiamo ad un caso che tutti possiamo verificare: un grosso scatolone di cartone cade apparentemente allo stesso modo di uno spillo. Se il peso dipendesse dal volume qualche differenza nella caduta dovremmo osservarla. No, il volume non ha (quasi) nulla a che fare con il peso e quindi non dovrebbe avere (quasi) nulla a che fare con la massa.

          Possiamo dire che un oggetto ha peso se ha massa ma, se ha massa, ha anche volume. Ma il peso non dipende dal volume ma dalla sola massa. Quello scatolone cade per tutta la quantità di cartone che lo compone che è la sua massa, ma non perché ha il grande volume. La massa di quello scatolone di cartone è la stessa se lo consideriamo come scatolone o se o comprimiamo fino a farlo diventare un blocco compatto di cartone. In tal modo il volume è diverso, la massa ed il peso sono gli stessi. Deve comunque esservi un qualche legame tra il volume ed il peso. E’ possibile pensare che un oggetto pesa di più se ha più massa in un dato volume? Vi era uno scherzo che da piccoli ci facevamo. Chiedevamo ad un amico cosa pesasse di più tra un chilo di paglia ed un chilo di piombo. Chi rispondeva di getto, senza pensare, diceva subito che era evidentemente il chilo di piombo a pesare di più. L’errore a voi lettori accorti è subito evidente: un chilo è uguale ad un chilo e le due quantità prese in considerazione pesano lo stesso. Dove stava la chiave della domanda trabocchetto? Nel pensare alla paglia che per dare un certo peso deve avere più volume del piombo. Nel dire questo ho introdotto la grandezza che cercavamo, la densità, che è la massa di un dato volume di una sostanza. Ma ancora non abbiamo terminato.

          Tutto ciò dovrebbe servire a chiarirci alcune idee ed anche a capire che il cammino della ricerca e del rispondere a determinate domande è lungo e complesso ma i risultati che si ottengono sono estremamente gratificanti e lo sono proprio se le risposte alle domande ce le diamo da soli senza aprire un’enciclopedia ed imparare a memoria quanto vi è scritto. So già che molti di voi diranno che è complicato mantenere a mente quanto abbiamo raccontato ed ipotizzato. Costoro hanno molta ragione. Infatti molti secoli fa si posero i medesimi problemi e si capì che era conveniente utilizzare dei simboli per parlare di grandezze ed usare il termine uguale (=), e tutte le operazioni matematiche che conoscete (+, -, ., 🙂 per mettere tra loro in relazione i simboli delle grandezze. Fino ad ora abbiamo introdotto il peso che ha p come simbolo, il volume V, la massa m, la densità d. E, fino ad ora, abbiamo fornito una sola formula, quella che lega densità d, massa m e volume V, cioè

                             d = m : V (che può anche scriversi  d = m/V)

la semplice espressione scritta vuol dire che la densità di una sostanza è tanto più grande quanto maggiore è la massa in un dato volume.

          Torniamo ora a ciò che avevamo lasciato in sospeso: la relazione che c’è tra massa e peso. Sembra evidente che più grande è la massa, più grande è il peso e viceversa. Dovremo quindi aspettarci una formula che ci descrive quanto detto, cioè:

                                                    p = k.m,

dove con k ho indicato una costante di proporzionalità che non conosciamo ma che garantisce l’aumento del peso all’aumentare della massa.

          Abbiamo detto che il peso è proporzionale alla massa ma che ne è di quell’astronauta che non pesa? Se il peso è zero, vuol dire che quella costante k è zero. Ciò ci fa ritrovare alcune ipotesi fatte: non vi è peso ma continua ad esservi massa. Ma che deve fare una massa per pesare? Deve essere tirata da qualche parte, occorre che qualche forza (F) la tiri o la spinga. Se ciò è vero quell’astronauta non è (quasi) tirato o spinto da nessuna parte ma se torna sulla Terra, o anche se si avvicina di più alla Terra, comincia a pesare, comincia cioè ad essere soggetto ad una forza che lo fa pesare, la forza con cui la Terra lo attrae a sé, la forza che chiamiamo di gravità. Anche se a questo punto è azzardato dirlo, occorre si sappia che anche la Terra ha una massa ed anche essa pesa (fin qui sembra ovvio) e quindi anche essa è tirata, cioè è attratta, cioè cade, verso l’astronauta (qui le domande diventerebbero infinite ed è meglio fermarci per indagare meglio quanto fin qui detto).

          Quindi sembra che il peso sia una forza, la forza che fa cadere gli oggetti sula Terra.

Se è così la relazione scritta per il peso, p = k.m, la possiamo anche scrivere così:

                                                    F = k.m.

Occorre a questo punto capire meglio cos’è quella costante k per differenziare, se differenza vi è, questa forza da altre forze.

          Per capire, qui come in ogni cosa detta in precedenza, occorre servirsi di misure, di molte misure da confrontare tra loro, per farne delle medie, per elaborarle. In questo caso servirà misurare delle velocità (v) e delle variazioni di velocità nel tempo, che si chiamano accelerazioni (a). Precedentemente serviva una bilancia, non una bilancia qualunque ma la bilancia che usano gli orefici, quella chiamata a bracci uguali (vedi oltre) che ha caratteristiche diverse dalla bilancia a molla (ed anche qui vi sono varie questioni da porsi).

          Per misurare velocità e sue variazioni servono orologi e righelli. Noi sappiamo dal senso comune (attenzione: il senso comune spesso può trarci in inganno!) che avere una velocità significa percorrere una data distanza (s) in un dato tempo (t):

                                               v =s/t

che vuol dire che maggiore è lo spazio che si percorre in un dato tempo, maggiore è la velocità.

          Un oggetto che varia la sua velocità, si dice che accelera, che ha una accelerazione. Ebbene quando noi lanciamo una pietra, essa non ha sempre la stessa velocità ma la va via via perdendo. Ha quindi una accelerazione negativa. Un auto che parte aumenta la sua velocità e quindi accelera. Un oggetto che cade, un oggetto quindi che pesa, varia la sua velocità e quindi accelera. Più in generale si può dire che un oggetto che accelera lo fa perché su di esso agisce una forza: sasso lanciato, auto che parte, sasso che cade. Se, viceversa, un oggetto mantiene la sua velocità costante (o se sta fermo) non ha forze che agiscono su di lui (questi discorsi si possono raffinare spingendo sempre più a fondo l’indagine). L’accelerazione che una forza produce su un dato oggetto dipende dalla sua massa e dalla forza stessa. Pensiamo ad un oggetto scagliato. La nostra forza scaglierà con maggiore velocità iniziale una massa piccola che non una massa grande. Pensiamo poi alla forza di un cannone che riesce a scagliare con maggiore velocità iniziale una massa pari a quella che con le nostre forze scagliavamo noi. Quindi su fenomeni provocati da noi si possono avere differenti variazioni di velocità nel tempo come esemplificato. Con un oggetto in caduta, sulla Terra, si ha sempre la stessa variazione di velocità nel tempo, si ha cioè una stessa accelerazione qualunque sia la massa dell’oggetto che cade. La forza di gravità provoca un’accelerazione precisa ed uguale per ogni oggetto di qualunque massa cada. Questa accelerazione si indica con g ed ha un valore determinato (almeno sulla Terra) e preciso che qui non interessa. Con quanto detto possiamo assegnare al k utilizzato per scrivere la formula del peso di una massa m il suo valore g. Di modo che il peso, la forza peso, si indica nel modo seguente:

                                                p = m.g.

          Ognuna delle cose dette, avrà un senso solo se sottoposta a esperienze che vanno pensate, realizzate e studiate nei loro risultati. Supposto di aver fatto tutto questo enorme lavoro, intorno alle grandezze introdotte, l’indagine può andare oltre, su strade diverse.

SOLIDI, LIQUIDI E AERIFORMI

          E’ un fatto che siamo circondati da solidi, da liquidi e da gas (in prima approssimazione, indichiamo con la parola gas, sia vapori che gas veri e propri. Di seguito utilizzerò anche il generico termine aeriforme che include in sé sia i gas che i vapori. Capiremo più oltre la differenza esistente tra un gas ed un vapore). Il fatto che un qualcosa sia solido, liquido o aeriforme, dipende dalla sostanza che prendiamo in considerazione? l’acqua è cioè liquida in quanto acqua ed il ferro è solido in quanto ferro? è, cioè una caratteristica intrinseca della sostanza? se non lo è, da cosa dipende questa distinzione?

Molti esempi ordinari della nostra vita di tutti i giorni ci fanno intendere che una stessa “cosa” può presentarsi a noi come solida o come liquida o come aeriforme a seconda delle condizioni in cui essa si trova. Per esempio è noto a tutti che in inverno si incontrano pozzanghere ghiacciate, laghi ghiacciati, ecc. …; in estate in genere non si trovano pozzanghere ghiacciate, ma solo liquide, mentre all’ora di pranzo quando sta bollendo l’acqua sul fornello, vediamo la stessa sotto forma di vapore. Sembra quindi si possa dire che una sostanza assume aspetti differenti a seconda di quali sono le condizioni ambientali in cui si trova. Nasce così la necessità di individuare queste condizioni ambientali. 

Chiediamoci ora se le eventualità inverno-estate, ora di pranzo, congelatore, … stabiliscano una volta per tutte lo stato dell’acqua.  0sservando bene la risposta (bacinella con acqua, che posta al sole “perde” acqua), in inverno essa ci si presenta sia solida, sia liquida, sia gassosa (pozzanghera che durante la notte ghiaccia, al mattino non è più ghiaccia, durante il giorno “perde” tutta l’acqua).

Oltre a quanto ora detto, una stessa sostanza può presentarsi a noi più grande o più piccola a seconda di quelle stesse condizioni ambientali: si pensi alla dilatazione e contrazione di una stessa sostanza in relazione alle condizioni ambientali che, se sappiamo osservare, notiamo con chiarezza. Vi siete mai chiesti perché, quando siamo su un treno in marcia, sentiamo un rumore periodico? Sono le ruote del treno che incontrano la separazione tra un binario ed il successivo. Ma non potevano essere saldati i due tratti di binario? No, perché quell’interruzione è fondamentale perché non accadano gravi incidenti. In estate il ferro si dilata e deve avere un tratto in cui aumentare la sua lunghezza, per questo vi è quella separazione. Se fate attenzione scoprirete che, in inverno, il rumore è maggiore di quello che si ha in estate. Ciò avviene perché in inverno il ferro del binario è contratto e quindi lo spazio tra un pezzo di binario ed il successivo è più grande con la conseguenza che la ruota del treno incontra una separazione maggiore in cui “cade”. Questo avviene anche nei ponti costruiti con ferro (anche se in cemento con armatura in ferro). Anche qui dovreste aver notato che, in autostrada, quando si passa su questi ponti, si sente che l’auto “cade” periodicamente in un piccolo tratto non connesso stabilmente con il tratto successivo. Se si osservasse quanto vi è sotto la strada si osserverebbero dei tratti di autostrada rigidi posti l’uno a fianco all’altro per costituire la strada. Questi pezzi unici non sono però saldati strettamente tra loro ma sono sistemati ad una certa distanza proprio per permettere, come nel caso delle rotaie, la loro contrazione e dilatazione. Vi è addirittura un’accortezza ingegneristica che occorre conoscere: per far dilatare con il minimo attrito questi pezzi di cemento armato sopra i piloni di cemento, vi sono dei giganteschi cilindri che funzionano da ruote. Un ultimo esempio che si può fare è relativo ai cavi dell’alta tensione tesi tra un traliccio ed un altro. Osservateli in inverno e troverete che sono ben tesi mentre se ripetete l’osservazione in estate troverete gli stessi fili molto incurvati verso il basso.

La connessione variabile tra due blocchi rigidi di un viadotto autostradale       

Uno dei possibili metodi per far scorrere un blocco rigidosu un pilone

                                  

Una delle possibili connessioni dei binari ferroviari. E’ stato lasciato uno spazio in cui il binario può dilatarsi .

 Nella prima figura è rappresentato un altro possibile modo di collegare tra loro due binari ferroviari: ciascuna parte può scorrere a lato dell’altra. Nella seconda i disastri che conseguono a non tener conto della dilatazione termica.

I cavi dell’alta tensione in estate ed in inverno rispettivamente.

Possiamo quindi dire che in natura vi sono delle sostanze (in realtà tutte) che sono soggette a delle dilatazioni e contrazioni. Rendendo più sofisticata la nostra indagine si può anche osservare che, a parità di condizioni ambientali, un oggetto sì dilata o si contrae di più di un altro. Quanto? In quanto tempo? Anche qui nasce il problema della misura.

LA MISURA. NOTA STORICA

          La misura è una delle operazioni più importanti nello studio della natura. Ci soffermiamo poco sull’importanza delle operazioni di misura che, attenzione, richiedono strumenti diversi e sempre più avanzati. A lato del problema della misura, sul quale dirò qualcosa più oltre, vi è un problema sociale, quello della comunicazione ad altri di una certa situazione. Se non siamo tutti d’accordo su cos’è, ad esempio, un metro, come faccio a vendere la mia stoffa ad un signore che vuole comprarla? Vi è quindi il problema, che fu gigantesco, del mettersi d’accordo su misure comuni e condivise. E’ interessante e divertente accennare a quanto grande fu il problema che si pose circa 200 anni fa.

          Uno dei prodotti più importanti che la Rivoluzione Francese ci ha regalato è stato il Sistema Metrico Decimale. Si trattava di un’impresa gigantesca che si estendeva sia sul fronte d’uso, del commercio, sia su quello politico, riuscire ad imporre un qualcosa che suonava interferire negli usi e costumi millenari non già di un popolo, come il francese, ma della miriade di contrade, paesini, regioni pur facenti parte della Francia. Provo a fare qualche esempio riferito a regioni italiane per capire fino in fondo la grande rivoluzione del sistema metrico. In Piemonte ‘n tir da sciopp corrisponde ad una lunghezza di 600 metri; ‘n tir da spu corrisponde a 4,5 metri; na branca ad 1,5 metri. In Lombardia una gettata equivale a 5,222220 metri ed un trabucco equivale alla metà. In Veneto la canna composta di 8 palmi aveva valore di 2,109360 metri; la pertica (veronese), detta anche cavezzo valeva 2,057489 metri. In Liguria vi era sia la canna fatta di 10 palmi che equivaleva a 2,49095 metri, sia la cannella fatta di 12 palmi pari a 2,98914 metri. In Toscana il doppio braccio equivale a 1,24 metri. In Emilia Romagna il braccio agrimensorio valeva 0,5309 metri. Nel Lazio (Roma) una catena composta da 10 staioli corrispondeva a 12,84675 metri. In Campania una canna, suddivisa in 8 palmi, valeva 2,10936 metri. In Sicilia vi era la canna siciliana pari a 2,0647824 metri che aveva moltissimi multipli e sottomultipli.

          Ho solo fatto esempi di lunghezze ma stessa situazione si aveva per misure di superfici, per misure di capacità, … . Un’esemplificazione, che ha del clamoroso, è quella delle sole misure di superficie in uso in vari città italiane e riportata in figura.

Nella figura sono riportate alcune delle misure di superficie utilizzate in passato (e non solo) in Italia. Si può notare, ad esempio, che allo stesso nome spesso corrispondono misure diverse.

Per corredare quanto detto faccio alcune osservazioni:

– gli esempi forniti sono solo un campione minimo delle misure utilizzate che erano migliaia (tra l’altro cambiando nei secoli).

– ciò che ho fornito per regione non era in uso nell’intera regione ma solo in alcune città o in una sola città, variando spesso da paese a paese, anche se confinante.

– ho solo fornito alcune unità di misura in uso vicine al metro che oggi utilizziamo. I nomi cambiavano al variare dei multipli e dei sottomultipli, a volte anche solo al cambiare il valore numerico senza relazioni con l’unità di base.

– ho solo citato unità di misura di lunghezza ma, anticamente, vi erano: unità di superficie che potevano non avere relazione con quelle di lunghezza; unità di volume anch’esse non necessariamente vincolate a lunghezze o superfici; unità di capacità non legate a quelle di volume; unità di peso; fortunatamente mancavano unità elettriche per evidenti motivi.

– non mi sono soffermato su quale era la base delle operazioni (per avere eventuali multipli o sottomultipli, si moltiplicava o divideva per 10 o per 12 o per 60 o per cosa?).

– non ho neppure affrontato il problema in Stati diversi dove si ripetono le medesime cose con in più la difficoltà di comunicazione linguistica. Quanto dico pensiamolo solo riferito al commercio, ad un signore di Firenze che va a vendere la sua merce a Torino (quanta strada percorre?). Porta 327 doppi bracci di tela per venderli. Prescindendo dalle differenti monete che hanno medesimi problemi, quante branche di tela sta comprando il torinese? Per non dire di tasse che si pagavano sulla superficie disponibile. Per non far cenno a continui imbrogli che, come sempre, gravavano sui poveri ignoranti ed analfabeti (i ricchi, se ignoranti, avevano da pagare i contabili).

          Questa mole di problemi fu affrontato appunto sul finire del Settecento dalla Rivoluzione Francese. Condorcet, uno dei padri della Rivoluzione, a nome dell’Académie des Sciences, intervenne all’Assemblea Nazionale il 12 giugno 1790, per accettare il compito che era stato assegnato all’Académie dalla medesima Assemblea. Tra l’altro, Condorcet disse:

Dalla sua fondazione l’Accademia si è sempre occupata ed ha cercato le occasioni d’impiego per il bene degli uomini delle conoscenze acquisite mediante le riflessioni e lo studio della natura: è in quest’ambito che uno straniero illustre, al quale una teoria profonda aveva rivelato il mezzo di ottenere una unità di lunghezza naturale ed invariabile, costruì per primo il progetto di rapportare ad essa tutte le misure al fine di renderle mediante quella uniformi ed inalterabili.

Nel 1790, su sollecitazione dell’Accademia delle Scienze, l’Assemblea Nazionale emanò un decreto in cui tra l’altro si diceva:

L’Assemblea Nazionale, desiderando far felice la Francia intera per il vantaggio che deriverà dall’uniformità dei pesi e delle misure, e volendo che i rapporti delle vecchie misure con le nuove siano chiaramente determinate e facilmente comprese, decreta […] che ognuna delle municipalità comprese in ogni dipartimento […] invii a Parigi, per essere consegnate al segretario dell’Accademia delle Scienze, un modello perfettamente corrispondente dei differenti pesi e misure elementari che utilizza.

I lavori proseguirono scegliendo delle unità di misura a partire da quella di lunghezza

L’Assemblea Nazionale, considerando che per arrivare a stabilire l’uniformità dei pesi e delle misure […] è necessario fissare un’unità di misura naturale ed invariabile […] decreta che sia adottata la grandezza del quarto di meridiano terrestre come base del nuovo sistema di misure.

Nel dire ciò l’Assemblea si era preoccupata di sottolineare che non occorreva offendere nessun popolo scegliendo una qualunque misura che avesse potuto creare problemi ad esempio di nazionalismo e, in chiusura, affidava all’Accademia delle Scienze l’organizzazione dell’impresa che prevedeva la misura di una frazione di circa un decimo dell’arco di meridiano terrestre, quella da Dunkerque a Barcellona. E si era stabilito che la decimilionesima parte della distanza del meridiano di Parigi tra il Polo Nord e l’Equatore (un quarto del meridiano terrestre) sarebbe diventata l’unità di misura di lunghezza, il metro (attenzione: si era stabilito prima che la distanza tra Polo ed Equatore doveva essere di dieci milioni di metri. Effettuata la misura con l’unità di misura francese esistente, la tesa di Parigi che poi si scoprì essere uguale a 0,513 243 metri, si calcolò quanto fosse lungo un metro). Si trattava di uno dei più grandi progetti scientifici della storia, quello della misura del quarto del meridiano terrestre. E non fu una scelta fatta su dati teorici ma eseguita sul campo con un impegno enorme di denaro. I lavori durarono sei anni e furono portati avanti, tra moltissime difficoltà (guerra alle porte, scienziati arrestati per motivi politici, altri che morivano, la Francia sotto il regime del Terrore, …) dai massimi scienziati dell’epoca che si servirono dei mezzi più avanzati dell’epoca per effettuare le misure (triangolazioni). Nel novembre 1798 gli scienziati sopravvissuti si ritrovarono a Parigi dove consegnarono al governo tutti i risultati e le misure effettuate. Intanto, nel 1795, era stato emanato il Decreto relativo ai Pesi e Misure in cui si definivano i vari pesi e misure che sarebbero entrate in vigore in Francia a partire dal momento in cui si fosse stabilita la lunghezza del quarto di meridiano. Inoltre ci si impegnava a costruire dei campioni di tali Pesi e Misure (lunghezza e massa) che dopo svariati eventi e difficoltà, nel 1889, sarebbero stati depositati nei sotterranei del Pavillon de Breteuil a Sèvres, chiusi in una cassaforte a 9 metri sotto terra in una stanza protetta da 3 porte (il kilogrammo protetto da tre coperchi di vetro dentro cui vi è un’atmosfera protetta e la temperatura è mantenuta costante). E perché tutte queste accortezze (oltre a molte altre che non ho detto)? Perché il tempo deteriora le sostanze e quindi vi era il rischio che i campioni si rovinassero. Vale la pena ricordare che mentre si effettuava la misura dell’arco di meridiano, Lavoisier si preoccupava di determinare l’unità di massa, il kilogrammo, mediante la misura del peso di un volume conosciuto d’acqua distillata alla temperatura del ghiaccio fondente (il chilogrammo massa è la massa di un litro o decimetro cubo di acqua distillata a 4°C. Per costruire il campione si realizzò un cilindro di altezza e diametro pari a 0,039 metri di una lega di platino iridio).

I campioni di metro e kilogrammo (fuori dalle loro custodie)

Un campione di metro in marmo sistemato in una strada di Parigi. Ne furono sistemati sei. A questi occorreva rifarsi per costruire i metri commerciali.

MISURIAMO

          Credo che tutti voi crediate che misurare è impresa semplice. Vediamo quanto è semplice. Supponiamo si voglia misurare la lunghezza di un tavolo quadrato senza avere un righello graduato. Ecco quest’ultimo è il primo problema. Usiamo una scarpa? Se la misura serve a me posso accontentarmi ma se la devo comunicare ad un mio amico il dirgli 5 scarpe ed un pezzo non dice nulla perché, riferendosi alla sua scarpa può risultare 6 scarpe. Lo stesso dicasi per i palmi che non sono mai gli uni uguali agli altri (e neppure uguali tra loro). Ho fatto questo esempio che può risultare banale per far capire che lo strumento è fondamentale. Quando si comunica ad altri una misura vi è un sottinteso fondamentale: stiamo usando lo stesso strumento (anche qui sono possibili discorsi molto sofisticati). Se vogliamo quindi comunicare dei nostri risultati ad altri nasce la necessità di oggettivare e quindi quella di unità di misura. Lasciamo palmi e scarpe e dotiamoci di un righello lungo, ad esempio, 10 centimetri. Facciamo una misura e troviamo che il tavolo è lungo 120 centimetri. Ma io non ci credo o meglio credo che sia più corto. Ripetiamo la misura. Avevo ragione, il tavolo è lungo 118 centimetri. Siamo sicuri? Ripetendo le misure in modo accurato non riusciamo mai a ritrovare la medesima misura. Giriamo lì intorno e la lunghezza del tavolo si mostra sfuggente. Cosa accade durante il processo di misura? Il fatto non banale al quale non si pensa spesso è che abbiamo un’oggetto che ha una sua misura. Ci siamo poi noi che vogliamo conoscere questa misura. Non è immediato il fatto che le due cose vadano d’accordo. Una realtà indiscutibilmente vera, l’oggetto, deve riuscire ad essere conosciuta nella misura da noi. E noi non siamo esseri con un perfetto approccio alle cose. Sembrerà incredibile ma anche una piccola parte dell’operazione di misura, mette in gioco il nostro essere umani, la nostra psicologia. Ciò, insieme ad imperfezioni tecniche, alle tecnologie non ancora completamente raffinate, che nel misurare si facciano degli errori di misura. Si faccia qui attenzione perché errore di misura non vuol dire che abbiamo sbagliato un processo ma solo che è per noi impossibile dare la misura vera di un oggetto, di un fenomeno qualunque. Sto dicendo che ogni misura si accompagna con un errore inevitabile. Nostro compito è ridurre al massimo tale errore sapendo però che esso non potrà mai essere annullato completamente. Nel caso della misura ripetuta della lunghezza del tavolo ci avviciniamo sempre più alla sua misura più vicina a quella vera se facciamo la media aritmetica di tutti i risultati trovati (si sommano tutti i valori trovati e si divide per in numero di misure fatte). In ambito scientifico la cosiddetta teoria degli errori occupa volumi e volumi. L’importante per noi è sapere che esiste il problema e su di esso dobbiamo e dovremo interrogarci. Per capire l’importanza del problema e quando esso può essere di poco o massimo conto, faccio un solo esempio. Se stiamo attenti, leggendo una qualche misura di lunghezza su una scatola che contiene un oggetto, potremo trovare che esso è lungo 60 cm ± 1 cm (ho scritto male questa relazione ma essa mi serve solo ai fini dell’esempio). Se stiamo acquistando una staccionata di recinzione per un’aiuola in giardino, non dobbiamo preoccuparci. Ma se stiamo comprando una lavastoviglie da inserire in un mobile abbiamo un problema a volte non risolubile perché quel ±, se diventasse + ci impedirebbe di incassare la lavastoviglie nel posto programmato. L’esempio fatto è veramente di poco conto ma se pensate a quanta miniaturizzazione ci circonda e quanti componenti vi sono dentro gli oggetti ad alta tecnologia (pensate all’i-phone) con cui abbiamo a che fare, la misura dei componenti da inserire in una data macchina è fondamentale perché quella macchina esista. Aggiungo ancora almeno qualche nome a quanto detto sugli errori. Vi sono vari tipi di errori che si fanno in una misura. Quello a cui ho accennato precedentemente è chiamato casuale Vi sono poi gli errori sistematici quando, ad esempio, il righello che usiamo è stato fabbricato male e riporta 10 cm pur essendo lungo 11. Vi è poi l’errore assoluto, la differenza cioè tra il valore misurato e il valore che teoricamente un dato oggetto deve avere (se compro un mobile lungo 2 metri e non entra dentro un vano della parete che sapevo essere di 2 metri, vado a misurare il mobile e se esso è lungo 2,1 metri allora ho a che fare con un errore assoluto). Vi è ancora l’errore relativo definito come il rapporto tra l’errore assoluto e il valore medio della serie di misure, vi sono poi varie elaborazioni matematiche che permettono di ridurre gli errori ma di tutto questo possiamo senz’altro fare a meno. Ad un aspetto del problema della misura è utile fornire almeno un cenno: lo strumento e, almeno, la sua sensibilità. Mi spiego con un esempio: l’orefice non vi venderà mai dell’oro utilizzando la bilancia del droghiere e voi stessi non misurerete in casa il vostro peso con una bilancia da cucina, se non altro per non romperla.

UNO STRUMENTO PARTICOLARE

Prima che cominciassimo a parlare di misura avevamo scoperto che vi sono delle sostanze (in realtà tutte) che sono soggette a delle dilatazioni e contrazioni originate da variazioni delle condizioni ambientali (variazioni di temperatura). Facciamoci furbi ed usiamo questa proprietà per costruirci uno strumento che ci dia indicazioni sullo stato ambientale (indipendentemente dai nostri sensi che, spesso, ingannano). Se dobbiamo ad esempio dire che temperatura vi è all’esterno in una giornata torrida, la nostra risposta sarebbe estremamente imprecisa dipendendo il tutto dalla nostra sensibilità al calore. Vi sono persone che, come si usa dire, sopportano più o meno bene il caldo e da esse ci si aspettano misure diverse che risentono tutte del sentire soggettivo. Vi è inoltre un’altra grandezza che può farci avere delle risposte ancora diverse: l’umidità.  Al crescere dell’umidità dell’aria aumenta la sensazione di calore e quindi aumenta la probabilità che si diano dei valori alti per la temperatura dell’ambiente. Come dare un valore oggettivo del valore della temperatura, indipendente dalla sensazione soggettiva? Con il termometro, costruito proprio sul principio di una sostanza (in genere mercurio o alcool) che scaldata si dilata (e raffreddata si contrae). Il termometro è un tubicino di vetro dentro cui è fatto il vuoto ed inserito, ad esempio, del mercurio. Una scala graduata ci indica i valori di temperatura che lo strumento misura. Anche qui le cose non sono semplici ed io posso solo presentarvi qualche problema lasciando gli altri alla vostra fantasia creativa (posso dirvi con estrema tranquillità che ogni ipotesi è buona, anche quella che, dopo verifica, risulta errata: l’importante è porsi problemi e tentare di rispondere non affidandosi a poesie o credenze popolari ma mediante esperienze). Se infilate un termometro, che abbia una scala che va da – 20 gradi centigradi (poi dirò qualcosa su questa misura) a 120 gradi centigradi, dentro un pentolino contenente acqua gelata a circa – 20 gradi centigradi (temperatura del congelatore) che disponete su un fornellino a gas, troverete quanto vi racconto. Il livello del mercurio che è inizialmente alla temperatura ambiente (supponiamo 20 gradi centigradi) scenderà fino a sistemarsi a – 10 o – 15 gradi centigradi. Quindi inizierà a salire molto piano ma regolarmente finché …. ecco, ad un certo punto non sale più. Passa del tempo e niente, poi impercettibilmente, quando non abbiamo più ghiaccio ma solo acqua, il mercurio inizia di nuovo a salire. Ma dove si era fermato? In corrispondenza di 0 gradi centigradi. Vorrà dire qualcosa? Vedremo. Seguiamo ora la salita del mercurio. Essa continua con regolarità nel tempo finché … , di nuovo si ferma, in corrispondenza dei 100 gradi centigradi quando l’acqua bolle tumultuosamente. Se il termometro fosse dentro una pentola a pressione, quando tutta l’acqua è diventata vapore, troveremmo di nuovo che il mercurio ritornerebbe a salire. Cosa succede in corrispondenza di 0 gradi e 100 gradi? Se leggiamo l’aumento del volume del mercurio dentro il tubicino di vetro del termometro come aumento di temperatura, scopriamo che non si ha aumento di temperatura quando il ghiaccio diventa acqua e quando l’acqua diventa vapore. Detto in altro modo la temperatura resta costante durante i cambiamenti di stato. E’ una scoperta non banale che, tra l’altro, è stata alla base della costruzione del termometro. Quei due punti sul termometro in cui si ferma la salita del mercurio sono due punti facilmente individuabili che possono diventare punti a cui riferirsi per definire una scala di temperatura. A quei due punti si possono dare valori a piacere e poi dividere in parti uguali in un numero a piacere lo spazio sul vetro che intercorre tra i due punti fissi   trovati. I valori in gradi che io ho dato sono di una delle possibili scale, quella centigrada che è stata costruita chiamando quei due punti uno 0 ed uno 100 e poi dividendo lo spazio tra 0 e 100 in cento parti uguali, ognuna delle quali è stata chiamata grado centigrado. Il modo corretto di scrivere una tale temperatura è, riferendoci ad esempio ai 100 gradi, 100°C.

Chi è particolarmente attento si sarà accorto che il mio è un discorso troppo semplice che prevede strumenti perfetti. Vediamo il motivo di ciò. Ho detto che il dividere in cento parti uguali lo spazio esistente tra i due punti chiamati 0 e 100 ci fornisce un grado centigrado. E’ quel parti uguali che crea problemi. Chi ci garantisce infatti che il mercurio si dilata allo stesso modo, ad esempio, tra 13 e 15°C e tra 87 e 89°C? Ma facciamo pure l’ipotesi che le cose stanno così, vi è un qualche altro motivo (suggerimento: l’errore sistematico) che ci rende un grado diverso da un altro? Ragioniamo sul tubicino di vetro. Dentro di esso vi è un cilindretto di mercurio che scorre in su o giù. Ma come sono fatte le superfici interne del cilindretto di vetro?

In figura abbiamo due possibili situazioni (ambedue esagerate per far capire con maggiore evidenza). In (a) la situazione è ottimale e si dice che la scala è lineare: il mercurio che passa da 1 a 2 va ad occupare un volumetto che è lo stesso di quando il mercurio passa da 3 a 4. Questo (se non sono presenti altri fenomeni) mi garantisce che il grado descritto dallo spazio tra 1 e 2 è lo stesso del grado descritto dallo spazio tra 3 e 4. Lo stesso non si può dire nel caso della situazione (b). E’ evidente che la variazione di volume del mercurio che passa da 1’ a 2’ è del tutto differente dall’aumento tra 3’ e 4’. Ma allora basta prendere solo cilindretti in vetro come in (a). Non è così semplice perché vi sono i costi di costruzione ed un termometro con le caratteristiche (b) costa molto meno di uno con le caratteristiche (a). Vi sono però delle temperature che non hanno bisogno di essere misurate con grande precisione (quando si hanno termometri che si mettono fuori la finestra di casa per misurare la temperatura dell’ambiente esterno: se si hanno 20° o 21° è poco importante). Vi sono invece situazioni in cui la precisione della misura è molto importante e si debbono quindi usare termometri molto ben costruiti, come in (a). Pensiamo solo alla misura della temperatura di un bambino che non sta bene: vi è una grande differenza tra dire che la sua temperatura è di 39° o di 40°. Accenno qui ad altri problemi che il termometro può presentare: degli errori sistematici nelle divisioni che vengono fatte sul vetro; errori casuali nella lettura; differenti sensibilità. Se si studia con attenzione come si comporta un termometro occorre tener conto di altre questioni: ad esempio, quando immergiamo il termometro in un pentolino con acqua calda, all’inizio il livello del mercurio scende invece di salire. Riuscite a capire cosa accade? Ora lo dico io ma in seguito accennerò ai problemi senza dare una risposta perché credo sia molto utile che facciate lavorare il cervello. Il termometro immerso nell’acqua calda è un oggetto costituito da due materiali diversi, vetro e mercurio. I due materiali si dilatano in modo diverso all’aumentare la temperatura (e ciò è vero per ogni materiale). All’inizio il vetro è sollecitato maggiormente ed il bulbo sottostante al termometro si dilata prima del mercurio creando una cavità maggiore in cui il mercurio “cade”. Solo dopo un poco di tempo il mercurio inizierà a salire come sappiamo. Quanto ho ora detto apre ad un’altra questione. Perché nel termometro si inserisce mercurio e non acqua, che costa molto meno? Perché l’acqua ha comportamenti anomali al variare delle temperatura dovuti alla sua costituzione molecolare. Credo già sappiate che l’acqua aumenta di volume quando la temperatura arriva a farla congelare (0°C) e che il minimo volume lo ha intorno ai 4°C. Inoltre l’acqua congela appunto a 0° ed un termometro ad acqua non permetterebbe misure di temperature sotto zero. Allo stesso modo l’acqua bolle a 100°C e ciò impedirebbe di misurare temperature al di sopra del livello di ebollizione dell’acqua.

          E poiché abbiamo affrontato tanti problemi sarebbe imperdonabile lasciarne da parte uno di grande interesse. Tutto quanto ho detto sull’acqua, la sua ebollizione, il suo congelare, … vale solo quando siamo in un ambiente situato in pianura, meglio se proprio in riva al mare. Più saliamo verso la montagna, più le cose dette vanno modificate. Cosa accade al salire di quota, ad esempio, con l’ebollizione dell’acqua? Fornisco prima ciò che osserviamo e poi ne cercheremo la spiegazione. Voi tutti sapete (e guai se non lo sapete) che la cottura della pasta è eccellente se la facciamo in pianura. Sapete anche che l’acqua deve bollire, essere quindi a 100°C, per mettere la pasta nella pentola. A nessuno di voi verrebbe in mente di mettere la pasta nell’acqua prima che questa sia in ebollizione. Ma, anche in montagna noi mettiamo la pasta nella pentola quando l’acqua bolle. E perché quella pasta mangiata ad una quota, ad esempio, di 1500 metri è immangiabile, non buona, con una cottura incompleta? Dobbiamo qui introdurre una nuova grandezza, la pressione atmosferica (P) ma prima un complemento indispensabile alla temperatura. Senza spiegar nulla io ho introdotto una temperatura chiamata centigrada. E’ semplice comprendere il perché: il tubicino del termometro entro cui scorre il mercurio lo abbiamo suddiviso in 100 parti uguali ed ognuna di esse è stata considerata essere un grado su 100 (noi abbiamo considerato come zero il ghiaccio fondente e come 100 l’acqua bollente). Se avessimo agito come altri hanno fatto, sistemare un altro valore in corrispondenza del ghiaccio fondente ed ancora un altro in corrispondenza dell’acqua bollente, avremmo avuto un’altra scala. E così fu finché Kelvin con una serie di ragionamenti e di esperienze non costruì una scala di temperature chiamata assoluta proprio perché toglieva di mezzo molti arbitri. Questa scala ha un solo punto fisso (che però non si può raggiungere come vedremo in un prossimo lavoro) e questo punto è lo zero assoluto. Naturalmente vi è la possibilità di passare da una scala di temperature ad un’altra, fermo restando che la scala che la scienza utilizza è la scala assoluta. Come si passa dalla scala centigrada a quella assoluta? Semplicemente aggiungendo al valore centigrado il numero 273 ed indicando la nuova temperatura, che avrà non più i gradi centigradi (°C) ma quelli Kelvin (°K), con la lettera T. Si ha così:

                                       T = t + 273

Così troviamo che lo zero centigrado vale 273 gradi Kelvin (0°C = 273°K), che l’acqua bolle a 100°C che equivalgono a 373°K, che lo zero Kelvin equivale a – 273°C. Quindi lo zero assoluto, quella temperatura impossibile da raggiungere, corrisponde a – 273°C. Resta solo da dire che la lunghezza di un grado nel tubicino contenente mercurio è la stessa per la temperatura centigrada che Kelvin.

          Una provocazione per voi che certamente vi sarete posti il problema: visto che da una certa temperatura fondono tutte le cose, vetro, mercurio, metalli, … come si fa a misurare temperature di migliaia di gradi o anche più?

IL PESO DELL’ARIA. NOTA STORICA

          Non credo sia facile pensare all’aria che pesa. Ciò che è sempre intorno a noi, dovunque noi siamo sulla Terra, l’aria, dovrebbe pesare. Se stendiamo le mani non sentiamo alcun peso “sopra” di esse ma qualcuno ha detto che l’aria pesa. Questo qualcuno fu un grande italiano, il fiorentino Evangelista Torricelli, allievo dell’altro grande, Galileo Galilei. Siamo nel 1643 e Torricelli si scriveva con il maestro Galileo. Quest’ultimo aveva ricevuto delle lettere, da Giovanni Battista Baliani di Genova, che stava costruendo un acquedotto per rifornire d’acqua la città. Baliani si scontrava con gravi difficoltà che non capiva e per questo si rivolgeva al maestro dei maestri, Galileo. Il problema era il seguente e lo si capisce ricordando un poco di storia ed osservando la figura che illustra il problema di Baliani.

          Gli acquedotti, opere mastodontiche che richiedevano una grande ingegneria, furono inventati e realizzati dall’Impero di Roma. Il principio sul quale erano basati era la gravità: l’acqua pesa e tende quindi ad andare da un luogo più alto ad uno più basso. Si sceglieva quindi una sorgente montana e da lì si costruiva l’acquedotto che portava l’acqua nella città che si trovava più in basso. L’acqua scorreva in quel canale che diventava la sua strada vero la città. Il canale era costruito con mota cura e poiché i romani erano dei grandi ingegneri avevano capito un fatto importante: la pendenza dell’acquedotto non può essere molto grande perché, in tal caso, l’intero canale rischia di venire distrutto dalla spinta che l’acqua è in grado di dare. Sui può capire questo molto facilmente: se vi mettete sotto una cascata (non troppo carica d’acqua) e prendete l’acqua sulla testa sentite un colpo forte che invece non percepite se vi mettete più oltre, lungo lo stesso corso d’acqua, distesi dentro di esso a “godervi” la carezzevole corrente. E’ la stessa acqua che in un caso dà colpi anche violenti ed in un altro è un gradevole flusso. Ebbene i romani avevano capito tutto questo e non costruirono mai acquedotti che portavano acqua con grandi pendenze. A partire dalla sorgente che si trovava in montagna, costoro, a volte, facevano fare all’acquedotto larghi giri proprio per far degradare gradualmente la pendenza. Ad esempio, nell’acquedotto a Ponte del Gard in Provenza su 50 chilometri di lunghezza il dislivello era solo di 17 metri e la gigantesca opera utilizzava strutture architettoniche come quelle di figura per attraversare fiumi o valli.

E l’impresa non era solo nel Sud della Francia ma in tutto l’Impero si costruivano acquedotti con le medesime caratteristiche, come a Segovia, in Spagna:

Alla fine dell’Impero di Roma molte tecniche andarono perdute e non si costruirono più acquedotti per un migliaio di anni. Si riprese in quest’opera quando vi fu nuova ricchezza che permise la ripresa di grandi imprese in concomitanza con le città che ritornavano ad avere molti abitanti. La ricchezza era davvero cresciuta ma era poca cosa rispetto ai mezzi di cui disponeva l’Impero. Fu necessario far fronte a questa minore ricchezza con molto maggiore ingegno interrogandosi sul comportamento della natura. Si utilizzarono pompe aspiranti e prementi e si tentò ogni soluzione. Un problema di questo tipo fu affrontato appunto da Baliani a Genova, in Liguria. Insomma, quando vi sono valli, depressioni, fiumi da attraversare come si può fare senza far ricorso ai quei costosissimi ponti? Baliani pensò di far seguire alle tubature dell’acquedotto il profilo dell’orografia con cui aveva s che fare. Quindi, a partire dalla sorgente, la condotta scendeva quando vi era un pendio discendente e veniva fatta risalire quando si aveva di fronte di nuovo un monte o una collina. Il cammino delle condotta d’acqua seguiva il profilo del suolo, salendo e scendendo, a partire dalla sorgente fino al luogo da rifornire. Tutto funzionava finché non si presentò la grave difficoltà che fece rivolgere Baliani a Galileo. La condotta doveva superare una collina alta poco più di 20 metri ed il raccordo con le due condotte che si trovavano ai due lati della collina era stato realizzato mediante un sifone di rame. L’acqua non passava ed anzi accadeva uno strano fenomeno: l’acqua con cui preventivamente era stato riempito il sifone, al momento del raccordo, sgorgava dal sifone alle due condotte che si trovavano ai piedi della collina finché il livello dell’acqua nei due rami del sifone non raggiungeva una quota di circa 10 metri. Cosa accadeva? La domanda fu rivolta a Galileo nel 1630. Questi, nel rispondere a Baliani, faceva sapere che anch’egli si era imbattuto in difficoltà dello stesso genere, almeno a partire dal 1594 e sullo stesso problema si erano scontrati anche i fontanieri di Firenze che non riuscivano a costruire fontane in cui l’acqua si elevasse oltre ad una certa altezza. Scriveva Galileo a Baliani: “Quando l’acqua [vogliamo alzarla] per attrazzione ci è una determinata altezza e lunghezza di canna, oltre alla quale è impossibile far montare l’acqua un sol dito, anzi un sol capello; e tale altezza parrai che sia circa 40 piedi, e credo ancor meno [in realtà 32 piedi, circa10 metri]”. Il fenomeno era descritto ma non si conosceva a cosa era dovuto. Galileo, era all’epoca occupato in altre vicende e passò la soluzione di questo problema al suo allievo Torricelli. Vi era una qualche idea sia in Galileo che in Baliani ed ambedue pensavano che il fenomeno doveva dipendere dal peso dell’aria. Baliani esemplificò nel modo seguente: «Io mi figuro adunque di essere nel fondo del mare, ove sta l’acqua profonda dieci mila piedi, e se non fosse il bisogno di rifiatare io credo che io starei, sebbene mi sentirei più compresso e premuto da ogni parte di quel che io mi sia nel presente». Secondo Baliani si avvertirebbe il peso dell’acqua se essa premesse solo da una parte, ad esempio, sulla testa. E così scrive Baliani “Lo stesso mi è d’avviso che ci avvenga nell’aria, che siamo nel fondo della sua immensità, e non sentiamo né il suo peso, né la compressione che ci fa d’ogni parte … [infatti] il peso dell’aria che abbiamo sopra il capo, il quale io credo grandissimo, perché, ancorché io stimi che quanto l’aria è più alta, sia sempre più leggera, io credo che sia tanta la sua immensità che, per poco che sia il suo peso, conviene che si sentisse quel di tutta l’aria, che ci sta sopra, peso molto grande, ma non infinito, e perciò determinato…“. E’ quindi la pesantezza dell’aria all’origine delle difficoltà incontrate nella posa del sifone. La pesantezza dell’aria ha due ruoli: è l’aria che preme in basso sull’acqua che fuoriesce da una sorgente che permette la sua salita ad una determinata altezza quando essa è incanalata in una condotta; è la stessa aria che preme in alto ad impedire che l’acqua vada oltre una certa altezza. L’aria, ora lo sappiamo è in massima parte il costituente dell’atmosfera terrestre. Questa atmosfera è come un sottile velo che ricopre l’intera Terra, il velo è sottile rispetto alle dimensioni della Terra ma noi, in pianura abbiamo circa 10 km di aria (sempre meno densa) sulla testa. E, per fortuna l’aria ci spinge da tutte le parti, altrimenti risulteremmo schiacciati come quando nei cartoni animati un’incudine cade sulla testa di Gatto Silvestro. E’ ora chiaro che, salendo in montagna, togliamo strati d’aria e quindi l’aria ha un peso minore (la pressione dell’aria è minore). Salendo a 1500 metri ci togliamo da sopra il corpo una colonna d’aria alta 1500 metri e quindi anche noi siamo più “sollevati”.

Torniamo ora all’ebollizione dell’acqua. Se il fenomeno avviene in pianura o in montagna dovremo tener conto di differenti pesi dell’aria. In montagna il suo peso sulla superficie dell’acqua della pentola, la sua pressione, è minore che in pianura. E poiché l’ebollizione è lo staccarsi successivo di molecole d‘acqua dalla sua superficie, questo distacco avviene più facilmente se la pressione su quella superficie è inferiore. Se si riduce la pressione si ha quindi una ebollizione a temperatura più bassa e a quei 1500 metri che abbiamo preso come esempio l’acqua bolle a circa 80°C e non a 100°C. Tornando alla pasta, se l’ebollizione avviene ad 80°C, la pasta non riesce a cuocersi. La superficie dello spaghetto è cotta ma dentro esso non lo è ancora.

Precisiamo qualche cosa. Peso dell’aria e pressione dell’aria, sono due concetti utilizzati. Quale differenza vi è, se vi è, tra i due? Il fatto che l’aria pesi, ormai dovrebbe essere un concetto acquisito. La generica aria pesa sulla Terra e questo peso non è dissimile da quello di un sasso che cade verso Terra. Il meccanismo è lo stesso di quello che abbiamo già discusso per il chiodo ed il martello. E’ la gravità esercitata dalla Terra che attrae l’aria intorno a sé. Quindi la Terra esercita una forza attrattiva sull’aria e questa forza è la forza peso dell’aria sulla Terra. Se vogliamo conoscere quanta forza peso dell’aria si esercita su una data superficie, avremo in mano il concetto di pressione. La pressione è proprio la forza che si esercita su una data superficie: P = F/S. Capiamo meglio questo concetto con esempi elementari. Supponiamo di disporre di una forza che si mantiene costante e di variare la superficie su cui essa agisce: la forza di cui sopra sia un colpo di martello che agisce su di un chiodo. Iniziamo a dare quel colpo sul chiodo tenuto verticale con la testa poggiata su una parete. Dopo il colpo o si piega il chiodo o si rompe la parete come tutti sapete. Se quel chiodo lo teniamo in modo che sia la sua punta ad essere poggiata sulla parte, quel colpo permette al chiodo di penetrare in essa. Dove risiede la differenza tra le due situazioni? Sul fatto che lo stesso colpo nei due casi agisce su superfici diverse a contatto della parete, quando la forza del colpo di martello agisce sulla punta del chiodo, sta agendo su una superficie piccolissima e quindi la pressione è molto grande. Si sta moltiplicando l’effetto di quella forza facendola agire su tale superficie. D’altra parte gli esempi che conosciamo sono tanti. La nostra forza si mantiene più o meno la stessa. Proviamo ad infilare su una tavola una puntina da disegno nel modo ordinario. Non abbiamo mai trovato difficoltà. Proviamo ora ad infilarla mantenendo sulla tavola la sua testina e spingendo sulla sua punta, un disastro. Insomma: una stessa forza che agisce su una superficie produce pressioni sempre maggiori quanto minore è la superficie su cui agisce; se abbiamo una data superficie, per aumentare la pressione occorre che aumentiamo la forza che agisce su di essa.

CHE C’ENTRA TORRICELLI?

          Qualche riga più su ho accennato a Torricelli e poi l’ho dimenticato. Vale la pena riprenderlo e vedere cosa ha trovato nelle sue ricerche molto raffinate. Sembra oggi incredibile ma Torricelli ha scoperto, tra l’altro, l’esistenza del vuoto. In quegli anni, 17° secolo, quasi tutti credevano che la spiegazione dei fatti naturali fosse stata definitivamente raccontata dal grandissimo filosofo greco Aristotele del 4° secolo a.C.

Riguardo a ciò di cui stiamo parlando, Aristotele riteneva che la natura ha una grande paura del vuoto (horror vacui) e quando esso per errore si creasse da qualche parte la materia andrebbe subito a riempirlo. Scriveva tra l’altro Aristotele: Se si ammettesse il vuoto, tutti i corpi avrebbero la medesima velocità [di caduta]: il che è impossibile“.

          In una lettera del 1644 ad un suo amico, Torricelli scrive: «Molti hanno detto che il vacuo non si dia, altri che si dia, ma con repugnanza della natura e con fatica; non so già che alcuno habbia detto che si dia senza fatica e senza resistenza della natura. Io discorrevo così: se trovassi una causa manifestissima, dalla quale derivi quella resistenza che si sente nel voler fare il vacuo [probabile riferimento al tentativo di Galileo di produrre il vuoto mediante sollevamento dello stantuffo di una siringa tappata sul fondo – n.d.r.], indarno mi pare si cercherebbe di attribuire al vacuo quella operazione che deriva apertamente da altra cagione, anzi che, facendo certi calcoli facilissimi, io trovo che la causa da me addotta (cioè il peso dell’aria) doverebbe per sé sola far maggior contrasto che ella non fa nel tentarsi il vacuo».

        La pesantezza dell’aria è quindi, secondo Torricelli, in grado di produrre il vuoto. E vista la difficoltà che si incontra nel produrre ordinariamente il vuoto, ci si può rendere conto di quanto possa la pesantezza dell’aria. E così prosegue Torricelli: «Dico ciò perché qualche filosofo, vedendo di non poter fuggire questa confessione, che la gravita dell’aria cagioni la repugnanza che si sente nel far il vacuo, non dicesse di conceder l’operatione del peso aereo, ma persistesse nell’asseverare che anche la natura concorre a repugnare al vacuo. Noi viviamo sommersi nel fondo d’un pelago d’aria elementare, la quale per esperienze indubitate si sa che pesa, e tanto che questa grossissima vicino alla superficie terrena pesa circa la 1/400 parte del peso del- l’acqua». E qui ritroviamo parte del ragionamento di Baliani.

          Fatte queste premesse, Torricelli passa a descrivere l’esperienza che ha fatto con qualche dettaglio (si veda figura a): «Noi habbiamo fatti molti vasi di vetro et anco come i seguenti, segnati A e B grossi e di collo lungo due braccia, questi pieni d’argento vivo [mercurio], poi serrategli con un dito la bocca e rivoltati in un vaso dove era l’argento vivo C, si vedevano votarsi e non succedere niente nel vaso che si votava; il collo però AB restava sempre pieno all’altezza d’un braccio e 1/4 et un dito di più [si notino le unità di misura delle quali abbiamo parlato. Qui la misura è di circa 76 cm]».

           (a)

                       (b)

Si riempie di mercurio un tubo di vetro della lunghezza di circa un metro e con la sezione di 1 centimetro quadrato, con una delle estremità chiusa (si veda figura b). Dopo il riempimento, l’altra estremità del tubo viene chiusa con un dito (figura c).

(c)

Quindi il tubo viene rovesciato ed immerso per qualche centimetro dentro una bacinella contenente mercurio. A questo punto il dito viene tolto ed il mercurio scende dal tubo fino ad una altezza di circa 76 cm dal bordo superiore della bacinella. Rimanevano quindi circa 24 cm, al di sopra del livello del mercurio, dentro i quali si poteva speculare vi fosse aria e vuoto. Torricelli era perfettamente conscio di questa difficoltà e, nel seguito della lettera, si sofferma su di essa (si ricordi che i vasi sono i tubi, mentre la catinella è la bacinella):

«Per mostrar che il vaso fusse perfettamente voto, si riempiva la catinella sotto posta d’acqua fino in D [da qui in poi i riferimenti sono alla figura a] et, alzando il vaso a poco a poco, si vedeva, quando la bocca del vaso arrivava all’acqua, descender quell’argento vivo dal collo e riempirsi con impeto horribile d’acqua fino al segno E affatto».

        Dunque, all’inizio c’è mercurio fino al livello A. Si aggiunge acqua nella bacinella e, come si sa, essa galleggia sul mercurio. A questo punto viene sollevato il tubo in modo che la sua bocca pian piano fuoriesca dal mercurio; quando la bocca del tubo arriva a contatto con l’acqua, il mercurio che sta nel tubo non può galleggiare più sull’acqua e quindi precipita nella bacinella, mentre l’acqua entra con violenza nel tubo riempiendolo del tutto. Ciò, per Torricelli, mostrava con chiarezza il fatto che precedentemente, nel bulbo E, vi fosse il vuoto. Infatti, nel caso all’interno del bulbo si fosse trovata aria, non vi sarebbe stata alcuna possibilità che in esso fosse salita l’acqua. E l’acqua è ora salita fino a quel livello – e sarebbe salita anche oltre, fino a circa 10 metri, se vi fosse stato spazio disponibile – solo perché ha un peso specifico inferiore di circa 14 volte rispetto a quello del mercurio (il peso specifico di una sostanza è il peso di una sua unità di volume. In questo caso si sta dicendo che, ad esempio, un centimetro cubo di mercurio pesa 14 volte di più di un centimetro cubo di acqua). Ma Torricelli aggiunge ulteriori, interessanti, considerazioni che lo portano a ricercare la causa del fenomeno non già nel vuoto, fattore interno, ma nella pressione atmosferica, fattore esterno:

«Il discorso si faceva mentre il vaso AE stava voto e l’argento vivo si sosteneva benché gravissimamente nel collo AC; questa forza, che regge quell’argento vivo contro la sua naturalezza di ricader giù, si è veduto fino adesso che sia stata interna nel vaso AE, o di vacuo, o di quella robba sommamente rarefatta; ma io pretendo che la sia esterna e che la forza venga di fuori. Sulla superficie del liquore che è nella catinella gravita l’altezza di 50 miglia d’aria; però qual maraviglia è se nel vetro CE, dove l’argento vivo non ha inclinazione, ne anco repugnanza per non esservi nulla, entri e vi s’innalzi fin tanto che si equilibri colla gravita dell’aria esterna che lo spinge? L’acqua poi in un vaso simile, ma molto più lungo, salirà quasi fino a 18 braccia [circa 10 metri], cioè tanto più dell’argento vivo, quanto più l’argento vivo è più grave dell’acqua, per equilibrarsi con la medesima cagione che spinge e l’uno e l’altra».

Possiamo far intuire la presenza del vuoto in quei 24 centimetri che si trovano sopra al mercurio nel tubo in altro modo. Supponiamo di disporre di due tubi. Il primo sia quello che otteniamo dall’esperienza di Torricelli con i 24 centimetri superiori senza più mercurio che togliamo dalla bacinella chiudendo il lato aperto verso il basso (ancora dentro il mercurio della bacinella) con il pollice. Con esso facciamo questa operazione: mantenendo il tubo orizzontale, sostenuto da un lato con la mano il cui pollice continua a chiudere l’estremità aperta e dall’altro con l’altra mano, facciamo compiere alle nostre braccia e quindi al tubo che ne è sostenuto un energico movimento orizzontale: sentiremo un chiaro rumore, uno schiocco dovuto al mercurio che, senza incontrare ostacoli, va ad urtare sul vetro dell’estremità chiusa del tubo. Il secondo tubo attrezziamolo nel modo seguente: sistemiamolo verticalmente con l’estremità chiusa verso il basso; inseriamo mercurio finché il tubo non arriva ad essere riempito per un’altezza di 76 centimetri; dopodiché si chiude l’estremità superiore aperta con il pollice. Abbiamo una situazione analoga alla precedente: 76 centimetri di mercurio e 24 centimetri senza mercurio. Operiamo ora allo stesso modo illustrato prima con l’energico spostamento orizzontale del dubbio. Questa volta non sentiremo alcun rumore, nessuno schiocco, perché quei 24 centimetri non sono di vuoto ma di aria.

        Tornando all’esperienza di Torricelli, dobbiamo concludere che non abbiamo più horror vacui poiché il vuoto che in tale ipotesi avesse aspirato l’acqua avrebbe, allo stesso modo, dovuto aspirare il mercurio che si trovava nel tubo CA nella prima fase dell’esperienza. I motivi sono altri e, come ben dice Torricelli, vanno ricercati nella pressione che l’atmosfera esercita sulla superficie libera del liquido che si trova nella bacinella. La cosa si può illustrare con un semplice disegno:

Il disegno è abbastanza chiaro: mg è il peso del mercurio, Pa è la pressione atmosferica. Quest’ultima preme sulla superficie del mercurio nella bacinella mantenendo, attraverso la sezione S del tubicino, il livello del mercurio a 760 millimetri di quota (il disegno, da me modificato proviene da http://slideplayer.it/slide/1000498/). Il peso del mercurio, mg, che si esercita sulla superficie S, costituisce la pressione del mercurio, equilibrata dalla pressione atmosferica Pa.

E le conclusioni tratte da questa esperienza venivano ulteriormente confermate da una ulteriore analisi del fenomeno mediante un confronto con quanto avveniva nel tubo B. Scrive Torricelli:

«Confermava il discorso l’esperienza fatta nel medesimo tempo col vaso A e con la canna B, nei quali l’argento vivo si fermava sempre nel medesimo orizzonte AB, segno quasi certo che la virtù non era dentro; perché più forza averebbe avuto il vaso AE, dove era più robba rarefatta ed attraente, e molto più gagliarda per la rarefattione maggiore che quella del pochissimo spatio B. Ho poi cercato di salvar con questo principio tutte le sorte di repugnanze che sentono nelli varii effetti attribuiti al vacuo, ne vi ho fin’hora incontrato cosa che non cammini bene».

Torricelli aveva dunque ben capito che il fenomeno osservato dipendeva dalla pressione atmosferica. Ma c’è di più perché Torricelli in una lettera al suo corrispondente Ricci passò attraverso l’enunciazione di quello che è noto come Principio di Pascal:

Fu una volta un filosofo che, vedendo la cannella messa alla botte da un suo servitore, lo bravò con dire che il vino non sarebbe mai venuto, perché natura dei gravi è di premere in giù e non horizontalmente e dalle bande, ma il servitore fece toccarli con mano che, se bene i liquidi gravitano per natura in giù, in ogni modo spingono e schizzano per tutti i versi anco all’insù, purché trovino luoghi dove arrivare, cioè luoghi che resistono con forza minore della forza di essi liquidi.

E, nella stessa lettera, Torricelli intuì anche che, salendo in montagna, la pressione diminuisce. Egli scriveva:

Noi viviamo sommersi nel fondo d’un pelago d’aria elementare, la quale per esperienze indubitate si sa che pesa, e tanto, che questa grossissima vicino alla superficie terrena pesa circa la quattrocentesima parte del peso dell’acqua. Gli Autori poi de’ Crepuscoli hanno osservato che l’aria vaporosa e visibile si alza sopra di noi intorno a cinquanta, ovvero cinquanta quattro miglia, ma io non credo tanto, perché mostrerei che il vacuo dovrebbe far molto maggior resistenza, che non fa se bene vi è per loro il ripiego, che quel peso scritto da Galileo s’intenda dall’aria bassissima dove praticano gli uomini e gli animali, ma che sopra le cime degli alti monti, l’aria cominci ad esser purissima e di molto minor peso che la quattrocentesima parte del peso dell’acqua.

          Ricci informò di questa esperienza vari studiosi dell’epoca ed in particolare il prete francese Marin Marsenne. Tutti rimasero profondamente impressionati e Marsenne si recò a Firenze, da Parigi, per assistere all’esecuzione dell’esperienza. Tornato in Francia divulgò il lavoro di Torricelli sul quale si accesero interminabili dibattiti tra i sostenitori dell’horror vacui e quelli che invece erano rimasti convinti dall’esperienza di Torricelli dell’esistenza del vuoto. Vi fu anche chi arrivò a sostenere che il mercurio è una sostanza bastarda che non sa decidersi se deve andare giù o su. Quindi, tramite il prete Marsenne, che all’epoca era un piccione viaggiatore in servizio permanente tra Italia e Francia, la notizia arrivò a Pascal che ne fece buon uso senza citare mai Torricelli. Ma fino al 1646 non fu possibile ripetere l’esperienza a causa della scarsa qualità dei vetri francesi che si rompevano a causa del peso del mercurio (non avevano nulla a che vedere con i vetri di Murano che Torricelli usava). Gran merito di Pascal fu invece quello di aver realizzato quanto Torricelli non era riuscito a fare (morì nel 1647 a soli 39 anni), pur essendoselo proposto: utilizzare l’esperienza per evidenziare le variazioni della pressione atmosferica. Egli fece eseguire l’esperienza nel settembre del 1648 sulla cima di una montagna vicina a Clermont-Ferrand, il Puy de Dôme, da suo cognato Florin Périer: effettivamente il mercurio raggiungeva un livello più basso di quello raggiunta al livello del mare (quel dislivello di 1000 m rispetto alla città aveva comportato la discesa del mercurio nel tubo di 85 mm).

Da questo momento si ebbero scoperte a catena, tra le quali le realizzazioni della di Otto von Guericke. Studiando gli effetti del vuoto torricelliano Guericke riuscì a realizzare la prima pompa per fare il vuoto dentro un recipiente e questa macchina gli servì per mostrare l’enorme pressione che l’aria esercita tanto che, una volta creato un vuoto in uno spazio compreso tra i due emisferi, la pressione dell’aria al loro esterno rende estremamente difficile il separarli. E’ il celebre esperimento degli emisferi di Magdeburgo che egli eseguì pubblicamente nel 1654.

In figura:I due emisferi cavi uniti. Sono visibili le due maniglie alle quali si collegavano i cavalli.Sulla sinistra è visibile il rubinetto dal quale si aspira aria per fare il vuoto all’interno ed anche per far rientrare aria per separare i due emisferi.

Fece preparare due emisferi cavi di bronzo di 50 centimetri di diametro costruiti in modo che aderissero perfettamente formando una sfera cava dentro la quale si potesse fare il vuoto con la sua pompa. Agli emisferi erano collegate, mediante delle cinghie, due pariglie contrapposte, ciascuna di otto cavalli. Solo dopo grandi sforzi dei cavalli era possibile ottenere la separazione degli emisferi che invece si aprivano senza alcuno sforzo se, da un rubinetto, si faceva entrare aria dentro di essi.

Fu poi Robert Boyle che nel 1661 misurò la pressione atmosferica trovandola equivalente a quella di una colonna d’acqua di circa 10 metri. E Boyle, dopo aver stabilito che l’aria è elastica, fornì una prima legge matematica che metteva in stretta relazione la pressione ed il volume di una massa d’aria.

LA LEGGE DI BOYLE

Abbiamo osservato contrazioni, dilatazioni e cambiamenti di stato. Implicitamente abbiamo ammesso che la temperatura è responsabile di questi fenomeni. Vediamo se c’è qualcosa d’altro responsabile di queste contrazioni e dilatazioni. Possiamo vedere qualche effetto di contrazione e dilatazione utilizzando una semplice (grande) siringa senza ago. Aspiriamo dell’aria e poi chiudiamo con un dito il foro in fondo. Abbiamo un volume d’aria dentro la siringa. Se spingiamo il pistone possiamo osservare che il volume d’aria diventa più piccolo (osservate che non tanto più piccolo come incautamente si può pensare). In tal modo, solo aumentando la pressione e senza toccare temperatura abbiamo prodotto una variazione di volume. Questo fenomeno fu studiato da Boyle subito dopo aver stabilito che l’aria è elastica. Leggiamo direttamente ciò che scriveva Boyle che si serviva di un semplice apparato sperimentale come quello mostrato:

Cercheremo ora di rendere evidente, con appositi esperimenti, che l’elasticità dell’aria è in grado di fare molto di più di quanto sia necessario attribuirle per comprendere i fenomeni dell’esperimento di Torricelli. Prendemmo un lungo tubo di vetro che, con mano abile e con l’aiuto di una torcia, fu piegato alla base in maniera tale che la parte ripiegata era quasi parallela al resto del tubo; e, tenendo ben chiuso l’orifizio del ramo più corto del sifone (se posso così chiamare l’intero strumento), questo fu diviso per la sua lunghezza in pollici (ciascuno dei quali suddiviso in otto parti) con una listarella di carta graduata a tacche e accuratamente incollata. Poi, immettendo tanto mercurio quanto serviva a riempire l’arco ossia la parte piegata del sifone, sicché il mercurio che era a livello potesse raggiungere in un ramo la parte più bassa della carta graduata e nell’altro ramo proprio la stessa altezza o linea orizzontale, avemmo cura, inclinando frequentemente il tubo, affinché l’aria potesse passare liberamente da un ramo all’altro ai lati del mercurio, (dico che avemmo cura) che l’aria rinchiusa alla fine nel cilindro più corto fosse della stessa fluidità del resto dell’aria attorno. Ciò fatto, cominciammo a versare il mercurio nel gambo lungo del sifone e il metallo, schiacciando con il suo peso quello nel ramo corto, a poco a poco comprimeva l’aria racchiusa. Continuando a versare mercurio finché l’aria nel ramo corto fu ridotta per condensazione a occupare soltanto la metà dello spazio precedentemente occupato (dico occupato, non riempito), volgemmo i nostri occhi al ramo lungo del vetro, sul quale era parimenti incollata una lista di carta accuratamente divisa in pollici e in parti e osservammo, non senza piacere e soddisfazione, che il mercurio nella parte più lunga del tubo era più alta di ventinove pollici che nell’altra. Ora, il fatto che quest’osservazione sia pienamente in accordo con la nostra ipotesi e la confermi, sarà facilmente compreso da chi presti attenzione a ciò che insegniamo; e il Signor Pascal e gli esperimenti del nostro amico inglese provano che tanto è maggiore il peso che poggia sull’aria tanto più possente è il suo tentativo di espansione e, di conseguenza, la sua forza di resistenza (come altre molle sono più forti quando sono piegate da pesi maggiori). Considerato ciò, sarà chiaro che è in singolare buon accordo con l’ipotesi che l’aria, con quel grado di densità e con corrispondente misura della resistenza, alla quale l’ha portata il peso dell’atmosfera sovrastante, fosse in grado di controbilanciare e di resistere alla pressione di un cilindro di mercurio alto circa ventinove pollici, come ci insegna l’esperienza di Torricelli; così qui, essendo la stessa aria portata a un grado di densità doppio del primitivo, ottiene un’elasticità tanto forte quanto nel caso precedente. L’aria, come sembra, è in grado di sostenere o di resistere a un cilindro alto ventinove pollici nel tubo più lungo, assieme al peso del cilindro di atmosfera che appoggia su quei ventinove pollici di mercurio e che è equivalente a essi, come abbiamo dedotto ora dall’esperimento torricelliano. A quel tempo fummo impediti a proseguire la prova dalla rottura del tubo. Ma poiché un esperimento accurato sarebbe di grande importanza per la conoscenza dell’elasticità dell’aria e non è ancora stato fatto (che io sappia) da alcuno; e poiché è più difficile da fare di quanto si pensi in considerazione sia della difficoltà di procurarsi dei tubi piegati adatti allo scopo sia di eseguire una valutazione corretta della superficie ricurva del mercurio, ritengo che non sarà sgradito al lettore esser informato che, dopo aver fatto alcune altre prove, in una delle quali facemmo un tubo in cui il ramo lungo era perpendicolare e l’altro, contenente l’aria, parallelo all’orizzonte, alla fine ci procurammo un tubo … . Tale tubo, sebbene di cospicua grandezza, era così lungo che il cilindro costituente il suo ramo corto permise di far entrare una listarella di carta che era stata in precedenza suddivisa in dodici pollici e in quarti; inoltre, il ramo più lungo conteneva un’altra striscia di carta, lunga alcuni piedi e divisa analogamente. Versando poi il mercurio per riempire la parte piegata del vetro, sicché la superficie del metallo in ambedue i rami giacesse lungo la stessa linea orizzontale, come insegnammo non molto tempo fa, si versava una quantità via via crescente di tale elemento nel tubo più lungo. Essendosi notato bene di quanto il mercurio saliva nel tubo più lungo quando sembrava salito a una delle divisioni nel tubo più corto, le svariate osservazioni così fatte una dopo l’altra e registrate formarono la tabella [che Boyle riproduce]. Per una maggiore comprensione di questo esperimento può non essere sgradito prender nota dei seguenti particolari:

1. Essendo il tubo così alto non potemmo usarlo in una stanza; ci accontentammo di usarlo su di un paio di scale che tuttavia erano assai leggere, il tubo stando sospeso con delle corde per sicurezza, sì che a mala pena toccava la cassa che menzionerò ora.

2. La parte inferiore e ripiegata del tubo era collocata dentro una cassa quadrata di legno, ben lunga e profonda, per prevenire la perdita del mercurio che poteva cadere durante il travaso dal contenitore al tubo e per raccogliere tutto il mercurio in caso di rottura del tubo.

3. Eravamo in due a fare l’osservazione, uno per guardare, dal basso, di quanto il mercurio saliva nel cilindro corto, mentre l’altro lo versava dall’alto, nel cilindro, essendo assai faticoso e complicato per una persona sola eseguire ambedue le operazioni con accuratezza.

4. Il mercurio veniva versato solo poco per volta secondo le istruzioni di chi osservava dal di sotto, essendo assai più facile versarne dell’altro che toglierne nel caso in cui ne fosse stato aggiunto troppo in una volta sola.

5. All’inizio della prova, allo scopo di osservare in maniera più accurata dove il mercurio s’arrestava ogni volta, usammo una piccola lente tenuta in posizione adatta per riflettere nell’occhio ciò che questo desiderava vedere.

6. Quando l’aria era cosi compressa da essere schiacciata in meno di un quarto dello spazio posseduto prima, tentammo di vedere se il freddo di un pezzo di tela immerso nell’ acqua l’avrebbe condensata. Talvolta sembrava rattrappirsi un po’, ma non così chiaramente da poter fare delle ipotesi in merito. Provammo parimenti a vedere se il calore la dilatava nonostante una compressione così forte; avvicinando la fiamma di una candela a quella parte dove l’aria era schiacciata, il calore ebbe una reazione più sensibile che prima il freddo; cosicché non dubitiamo affatto che l’espansione dell’aria sarebbe stata resa più cospicua se la paura di rompere il vetro in un momento inopportuno non ci avesse trattenuto dall’aumentare il riscaldamento.

Ora, sebbene non neghiamo che nella nostra tabella alcuni particolari non corrispondano esattamente a quanto la nostra ipotesi summenzionata potrebbe forse aver indotto il lettore ad attendersi, tuttavia gli scarti non sono così considerevoli che non possano essere assegnati con sufficiente probabilità a una mancanza di precisione che può difficilmente essere evitata in siffatti esperimenti delicati. Ma, in merito a tutto ciò, in attesa che un’altra prova chiarisca meglio il problema, non mi arrischierò a definire se la teoria espressa avrà valore universale o no, e in particolare sulla condensazione e sulla rarefazione dell’aria. Ciò che ora mi preme dire è che, in ogni caso, la prova dimostra a sufficienza il fatto principale su cui mi pronuncio: è evidente che, come l’aria comune, ridotta a metà della sua estensione solita, sviluppò una forza elastica quasi doppia di prima, così, essendo quest’aria compressa ridotta in metà di questo spazio ristretto, acquistò una forza elastica tanto forte quanto quella che aveva avuto prima e, di conseguenza, quattro volte più forte dell’aria comune. E non c’è ragione di dubitare che, se avessimo potuto disporre di una quantità maggiore di mercurio e di un tubo molto robusto, con un’ulteriore compressione dell’aria racchiusa, avremmo potuto farle controbilanciare la pressione di un cilindro assai più alto e pesante di mercurio. Poiché nessuno forse sa ancora come l’aria sia capace di compressione quasi infinita se la forza comprimente è adeguatamente accresciuta.

Questo brano e la tabella che Boyle fornisce mostrano che, a temperatura costante, la pressione P ed il volume V di un gas sono tra loro inversamente proporzionali e cioè che P.V = K, dove K è una costante che varia al variare della temperatura ma che, per una data temperatura, resta sempre la stessa. Ciò vuol dire che

se si dispone di un gas in un recipiente, raddoppiando la pressione P su di esso si dimezza il volume V; triplicando la pressione P, il volume si riduce ad un terzo.

E’ la prima legge dei gas che viene determinata sperimentalmente. Ben presto vi saranno delle elaborazioni teoriche che ritroveranno la medesima legge a partire da alcune ipotesi sulla costituzione corpuscolare della materia. Si inizierà così quel fecondissimo ramo della fisica che va sotto il nome di teoria cinetica dei gas e che si intersecherà con i primi vagiti della scienza del calore.

Supponiamo di aver fatto questa esperienza ad una temperatura di 10°C che chiamiamo t1. Abbiamo detto che la legge è valida se la temperatura resta costante mentre facciamo l’esperienza. Cosa accade se ripetiamo l’esperienza ad un’altra temperatura t2 = 20°C? La legge resta la stessa, è solo la costante K che varia, assumendo un altro valore. E così via: variando le temperature abbiamo diversi valori di K. Ciò vuol dire che abbiamo una proporzionalità tra il valore di K e la temperatura (chiedetevi come sia possibile verificare che vi è una proporzionalità lineare, che cioè di tanto varia la temperatura, di tanto varia K). Si può quindi scrivere K = c.t, dove c è un’altra costante di proporzionalità. Se sostituiamo quanto trovato alla legge di Boyle troviamo:

P.V = ct

 Osservo che questa relazione è estremamente importante perché in essa compaiono tre grandezze che sono le tre grandezze alla base del comportamento delle varie sostanze: la pressione, il volume e la temperatura. Con lavori molto sofisticati questa legge è stata ulteriormente specificata fino ad arrivare ad una legge, che a noi ora non interessa; chiamata legge dei gas. Osservo ora una cosa che è sempre valida. La legge ora vista contiene tre grandezze, tutte variabili. Le nostre capacità di studio non ci permettono, se non con grandi difficoltà, di seguire tre grandezze che variano simultaneamente. Ciò che si è pensato di fare è la cosa seguente: si mantiene costante una delle grandezze e si studia come varia una delle grandezze al variare dell’altra. Di volta in volta, a seconda di ciò che ci serve, ripetiamo l’operazione mantenendo costante la grandezza che ci conviene e facendo variare le altre due.

          Facciamo ora un salto per considerare fenomeni che osserviamo tutti i giorni e sui quali riflettiamo poco, a volte per nulla. Sappiamo e lo abbiamo già detto che la Terra è circondata da uno strato sottile di aria, nota come atmosfera (l’altezza dell’atmosfera è mediamente di circa 10 chilometri; il raggio della Terra è di circa 6 mila chilometri). In massima parte il clima e la meteorologia dipendono dai fenomeni che si generano nell’atmosfera a seguito del riscaldamento del Sole.

L’ATMOSFERA E LA METEOROLOGIA

          Non è facile capire fenomeni che dipendono da più variabili e la nostra atmosfera è davvero molto ma molto complessa. Voler capire i fenomeni atmosferici è impresa che richiede molte abilità ed il successo ha solo delle probabilità di esservi e mai certezza.

          Dopo differenti speculazioni degli antichi, e particolarmente di Aristotele, tutte piuttosto fantastiche (una speculazione ha per noi un senso se parte da dati osservativi e se è confermata dall’esperienza o da più osservazioni che vadano nello stesso senso, altrimenti deve essere scartata e sostituita da una nuova), occorre tornare di nuovo a Torricelli per avere prime interpretazioni corrette sull’atmosfera e su alcuni fenomeni che si verificano in essa.

Torricelli si occupò del problema iniziando a discuterlo dopo quanto aveva capito sulla pressione atmosferica dalle sue esperienze. Dopo un’introduzione in cui denunciava l’ignoranza dilagante, egli scriveva:

La Natura […] fra le cose sue più nascoste e più impenetrabili, non mi pare che alcuna ve n’abbia occultata con maggior segretezza che quell’accidente dell’aria, il quale con nome “il vento” comunemente si appella. […] Ma del vento invisibile per se stesso, qual cognizione avremmo noi se per la moltitudine de gl’effetti non si palesasse? Il gonfiarsi delle vele, l’ondeggiar delle biade, lo scuotersi delle piante, il sollevarsi della polvere, e tanti altri accidenti, sono indizi manifesti di un parto della natura invisibile, prodotto, non meno per accecar gli occhi dell’intelletto, che quei del corpo. Ora se la natura quasi con ogni studio procurò di occultare il vento ugualmente al senso e all’intelletto, non sarà maraviglia, se io pieno di confusione comparisco oggi in questo luogo a pubblicar quella ignoranza. 

E poiché Aristotele aveva sostenuto che il vento era generato da esalazioni che avevano luogo all’interno della Terra, Torricelli ha facile gioco nel dire:

 Alcuni hanno creduto, che l’esalazione del vento venga a dirittura di sotterra, e scaturisca per i pori invisibili del terreno; opinione, pare a me, poco sussistente. Io credo, che quantunque un Regno vasto del Settentrione spirasse tutto, non dico per i pori minuti, ma a guisa d’una voragine aperta, e continua, che dagli abissi nascosi esalasse vento; io credo dico, che non sarebbe bastante a farci sentir quella violenza grande, che pur troppo si prova talora ne i giorni boreali. In oltre io non mi ricordo aver veduto giammai un foglio, ovvero una foglia, sollevarsi da terra, per forza di vento, che da i pori sottoposti scaturisca; si solleva bene, ma per forza di vento, che lateralmente la percote.

E dopo queste obiezioni Torricelli passava ad avanzare una sua teoria che riveste ancora oggi grande importanza, quella della circolazione generale dell’atmosfera. Ma prima di leggere vorrei che riflettesse su una osservazione. Questi personaggi che hanno fondato la scienza moderna si ponevano interrogativi facendo ipotesi e tentando di verificarle con esperienze. Ma non fu solo questo il loro merito; aa questo si deve aggiungere il dover contrastare teorie precedenti che non provenivano da un pazzo qualunque ma da una della massime menti dell’antichità, Aristotele. Non è cosa da poco se si pensa che le sue teorie esistevano da ben 2000 anni e che erano diventate un credo comune della massime autorità dell’epoca. Chiunque le toccava era ritenuto persona sospetta ed incriminabile (su questo dirò qualcosa più oltre). Scriveva Torricelli a proposito della sua scoperta della circolazione dell’atmosfera:

 […] il vento farebbe una circolazione, la quale non iscorrerebbe sopra più, che ad una parte terminata della terra: e tanto durerebbe l’effetto della circolazione predetta, quanto durasse la causa, cioè quel freddo d’una provincia, maggior, che non dovrebbe essere, in paragone di quello de’ luoghi circonvicini. Circolazione la chiamo, poiché nella parte superiore tutto il moto dell’aria concorre verso il centro della Provincia più del dovere raffreddata. Quivi poi sentendo quel medesimo freddo accidentale, si condensa, si aggrava, e discende a terra, ove non reggendosi, scorre da tutte le parti, e cagiona sulla superficie del terreno un vento contrario a quello delle regioni sublimi. Che questa circolazione non sia sogno chimerico, ma effetto reale, può quasi dimostrarsi con una breve considerazione Noi vedremo alle volte spirar venti Boreali con impeto tale, che faranno più di trenta miglia per ora, e dureranno tanti giorni, che comodamente potrebbero aver circondata la metà della terra. Crederemo noi, che tanto vento passi sotto il circolo dell’Equinoziale? Ma quando anco vi passi, non è egli necessario, che il moto si continui per tutto il circolo massimo, che circonda la terra, acciò l’immensa quantità d’aria, che parte da un Clima vi si possa restituire? Altrimenti qualche Clima resterebbe esausto d’aria, ed un altro soprabbondantemente aggravato. E quando questo circolo massimo di vento, circonda la terra per tanti giorni, non sarà egli necessario, che tutti gli altri paesi sieno senza vento? Altrimenti sarebbe forza il dire, che i due circoli del vento s’intersegassero due volte scambievolmente fra di loro, colla nascita di molti inconvenienti, ed assurdi. […]

Ed il vento cos’è? Torricelli lo spiega chiaramente subito dopo servendosi di quella circolazione dell’atmosfera che ha appena introdotto:

In un altro modo può cagionarsi il vento (e qui giungo alla fine del discorso). Questo si è per rarefazione, cioè quando l’aria d’una Provincia, per caldo intempestivo, si rarefaccia più della circonvicina. Quest’aria rarefatta non spingerà altrimenti, o scorrerà dalle bande, come alcuno ha creduto, essendo ciò contrario alla dottrina d’Archimede, sopra le cose, che galleggiano; ma crescendo di mole si alzerà perpendicolarmente più della sua conterminante, e non reggendosi poi colassù, si spanderà in giro nell’alta regione dell’aria: intanto quaggiù vicino a terra, dalle parti conterminanti più aggravate, l’aria concorrerà verso il centro della Provincia riscaldata, formandosi una circolazione contraria alla precedente, ma nel medesimo modo. L’esperienza in pratica di questo accidente, si vede il verno nelle stanze, da qualche gran fuoco riscaldate. Osservisi ne i più crudi rigori del freddo, ed in tempo, che non spiri vento di sorta alcuna, che per la porta della stanza riscaldata entrerà vento, la ragione è, perché l’aria inclusa essendo più leggiera se ne fugge per l’aperture più alte, e per il cammino istesso […]

Ed in definitiva il principio su cui si basa il vento altro non è che quel notissimo e vulgatissimo della condensazione e rarefazione dell’aria.

          Si apre qui un infinito mondo di problemi e di questioni da discutere. Molte questioni le lasceremo in sospeso fidando nella vostra curiosità ed ingegno, altre le racconterò in modo semplice e forse non perfettamente corretto ma tale da suscitare curiosità e bisogno di ampliare la conoscenza per poter comprendere più a fondo i fenomeni.

          L’atmosfera, questa grande massa d’aria che ci sovrasta non è immobile su di noi. Torricelli non lo dice ma è sottinteso che quando parla di aria più fredda sta parlando di aria meno riscaldata e la di gran lunga più grande sorgente del calore che arriva sulla Terra proviene dal Sole (l’altra proviene dal calore del sottosuolo). Si tratta quindi di cercare di capire, almeno in linea di massima, le azioni del riscaldamento del Sole sull’atmosfera sapendo però che le variabili in gioco sono moltissime e non solo le tre annunciate nella legge dei gas. E più crescono le variabili e più il problema si fa complesso e difficile da dipanare. Come ho però detto nel caso della legge dei gas, supponiamo di mantenere alcune variabili costanti (qui è estremamente difficile) e di studiare solo come varia una al variare di un’altra. Per ora cerchiamo di capire le azioni della temperatura sul volume dell’aria.

          Per capire meglio quanto cercherò di dire propongo un esempio che tutti conosciamo molto bene e chi si è soffermato ad osservarlo capirà subito a cosa mi riferirò.

          Fornendo calore alla pentola contenente acqua è evidente che l’acqua più vicina alla fiamma è quella che si scalda prima. Diventando più calda dell’acqua sovrastante essa aumenterà di volume e quindi tenderà a “galleggiare” sull’altra acqua. Ciò vuol dire che l’acqua che sta in basso salirà verso l’alto, lasciando il suo posto a quella che sta più in alto. Il fenomeno si ripete con continuità diventando sempre più veloce. Ad un certo punto questa salita e discesa diventano così tumultuose da dare origine a quella che conosciamo come ebollizione. Questo moto circolare dell’acqua come illustrato dalla figura è chiamato moto convettivo ed è uno dei modi in cui il calore si trasferisce (in questo caso dal basso verso l’alto).

Fenomeni convettivi sono continui nell’atmosfera terrestre e sono tra i responsabili delle variazioni climatiche. Nella parte destra di figura si possono vedere le frecce che indicano una circolazione dell’aria (responsabile di vari venti stabili come gli alisei).

               L’atmosfera, come detto, è scaldata dal Sole ma il fenomeno deve tener conto dei moti della Terra, rotazione sul suo asse e rotazione intorno al Sole, che producono due effetti: il giorno e la notte; raggi del Sole perpendicolari o meno su una data superficie terrestre (dico terrestre anche se mi riferisco alla parte di atmosfera che sovrasta una data regione). Nel primo caso l’atmosfera riscaldata di giorno passerà per varie ore in una zona dove non arrivano più i raggi solari e quindi si raffredderà per poi tornare a riscaldarsi. Nel secondo caso, data l’inclinazione dell’asse terrestre, la Terra si troverà, rispetto al Sole, in posizioni diverse nel corso dell’anno. Le due figure seguenti fanno vedere la situazione in due momenti estremi, in A l’inizio dell’estate nel nostro emisfero (il 21 giugno) ed in B l’inizio dell’inverno nel nostro emisfero (il 21 dicembre). Per quel che ci riguarda ora è evidente che nei due momenti la radiazione solare che è perpendicolare in una zona non lo è nell’altra e viceversa. Dove la radiazione è perpendicolare il Sole fornisce maggior quantità di calore ed è estate; dove la radiazione solare prende la Terra “di striscio” fornisce minor quantità di calore ed è inverno. Se una persona si mette in pieno Sole in estate ed in inverno capirà bene quanto ho ora detto.

Figure tratte da http://www.larapedia.com/scienze_della_terra/scienze_della_terra.html

I fenomeni detti, che evidentemente si intersecano, sono i responsabili dei moti convettivi ma anche di altri fenomeni, quelli orizzontali da sommare a quelli verticali (moti convettivi). Insomma credo si sia capito che studiare l’atmosfera è impresa molto complessa. Quando, ad esempio, si creasse una situazione in cui in una data zona, per spostamenti atmosferici, si va ad accumulare una grande massa d’aria in quella zona la pressione aumenta perché aumenta la quantità d’aria e quindi il suo peso su una medesima superficie. Si dice che siamo in una situazione di alta pressione. Si ha bassa pressione quando in una data zona diminuisce la quantità d’aria. Se ora consideriamo queste due zone e le pensiamo andare a contatto è facile capire che l’aria fluisce da dove ve ne è di più a dove di meno. Si può pensare ad una vera montagna d’aria che ha a lato una vallata. Da qui i venti, lo spostamento di masse d’aria da zone d’alta pressione a zone di bassa pressione. Nelle zone d’alta pressione è molto difficile che penetrino masse d’aria e quindi non arrivano perturbazioni, in genere sono zone in cui si ha bel tempo. Viceversa per le zone di bassa pressione che sono preda di qualunque massa d’aria provenga da zone di alta pressione, quindi tempo instabile. Leggiamo queste cose mettendo dentro la temperatura.

          Per fare un discorso non ingenuo occorre sapere come la radiazione solare scalda la Terra. Aiutiamoci con un disegno.

La parte colorata in giallo indica la radiazione che arriva dal Sole che segue diversi cammini. Alcuni dati possono aiutarci a capire. Solo circa il 51% della radiazione che abbiamo ai limiti dell’atmosfera riesce ad arrivare sulla superficie terrestre e, di questa quantità, una metà è radiazione solare diretta mentre l’altra metà è radiazione solare che è stata diffusa dalle nuvole e dai gas costituenti l’atmosfera (vedi figura seguente). Di questo 51% una parte (circa il 10%) viene subito riflessa dalla superficie della Terra, di modo che solo il 47% dell’energia che arriva ai limiti dell’atmosfera può essere utilmente trasformata, in calore e lavoro.


La Terra, per parte sua, irradia energia nello spazio circostante. L’effetto serra, prodotto dell’atmosfera, trattiene la gran parte di questa energia e, dopo aver riscaldato Terra ed atmosfera, se ne va una quantità di energia pari a circa il 47% di quella che avevamo in ingresso ai limiti dell’atmosfera. Occorre solo osservare che, se non avessimo atmosfera, la Terra sarebbe riscaldata in modo intollerabile per la vita di giorno e sarebbe freddissima, in modo anche qui inconciliabile per la vita, di notte. L’effetto serra del quale avrete sentito parlare è un fenomeno semplice da capire. L’energia dovuta alla radiazione solare entra nell’atmosfera attraversando le nuvole ed arriva al suolo. Nel far questo la radiazione solare ha perso parte della sua energia e, riflessa sulla Terra, non ha più energia sufficiente ad uscire dall’atmosfera. Resta intrappolata tra nuvole e Terra riflettendosi successivamente su e giù. Questa energia intrappolata scalda la zona compresa tra nuvole e Terra. Il tutto va come in una serra, dove, mediante una apposita copertura, l’energia solare entrante scalda la zona interna alla serra medesima.

L’energia che arriva sulla Terra va in gran parte (circa il 23%) a mettere in moto il ciclo delle acque: evaporazione di grandi masse d’acqua che poi si trasformano in nuvole e in pioggia e quindi vanno ad alimentare fiumi e bacini ed alta quota. Questo portare ad un quota più alta una grande massa d’acqua fornisce una enorme riserva di energia che in seguito, unita all’energia che la forza di gravità della Terra può fornire, permette la sua utilizzazione in caduta sotto forma di energia che può mettere in moto vari generatori di energia meccanica od elettrica (si pensi alle dighe e si cerchi di capire come si accumula energia che può successivamente essere sfruttata).

Un’altra parte dell’energia proveniente dal Sole muove le masse d’aria ed è questa la parte che ora ci interessa. Quando una massa d’aria si riscalda aumenta di volume e diminuisce di densità per cui tende a salire verso zone più alte (abbiamo visto questo fenomeno nel meccanismo che porta l’acqua a bollire); i1 suo posto viene preso da masse d’aria più fredde che, avendo una densità maggiore, tendono a stare più in basso. Questi spostamenti di masse d’aria originano i venti che possono, anch’essi, essere utilizzati per la produzione di energia meccanica od elettrica. Anche le correnti di masse d’aria, i moti convettivi dell’atmosfera e le onde del mare sono frutto di questa quota di energia solare. Molti altri sono i processi, messi in moto dal Sole (che, insieme alla Luna, è responsabile non solo delle ordinarie maree ma anche di maree d’aria che non vediamo ma che sono responsabili di spostamenti giganteschi di masse d’aria), ma noi ci fermiamo a considerare solo quelli sommariamente descritti. Questi scambi di energia sono molto schematici ed in realtà le interazioni sono molto più complesse (in quanto vado dicendo vi è sempre moltissimo di non detto, quel moltissimo che mi auguro dia origine alla vostra curiosità ed indagine).

Ma restiamo al movimento di masse d’aria calde e fredde. Abbiamo detto che le calde salgono in quota e si raffreddano. Se le masse calde a livello del suolo contengono umidità, cioè vapore d’acqua, al salire raffreddandosi, fanno condensare il vapore generando le nuvole che sono costituite da piccolissime goccioline d’acqua che non hanno peso sufficiente per cadere. Quando acquistano tale peso, ad esempio per aggregazione di altro vapore su la prima gocciolina o per la presenza di polveri in quota, allora cade la pioggia che, al mutare di condizioni di temperatura può diventare grandine o neve.

Qui mi fermo con queste semplici questioni di meteorologia. Ma vi faccio osservare che siamo partiti da questioni elementari e, in breve, tali questioni ci hanno portato a fenomeni complessi, molto più di quanto si immagini, che vanno studiati mediante la vostra curiosità ed il vostro impegno (senza impegno e lavoro, la curiosità è molto frustrante).

Prima di tornare indietro, dove avevamo lasciato per la deviazione su questioni atmosferiche, mi fermo per dedicare alcune osservazioni alla vostra attenzione.

LA SCIENZA SPIEGA TUTTO?

          L’idea di una scienza che tutto può è di chi non sa di scienza. Nelle semplici e pacate discussioni fatte fino ad ora si è seguito un possibile cammino che ci porta da domande semplici a problemi complessi. Per seguire davvero nella sua storia quanto abbiamo accennato non bastano duecento anni (dal Seicento all’Ottocento). Nei quasi duecento anni successivi si è fatto molto, vi è stato un crescendo enorme di conoscenze e scoperte, ma… Vorrei dirvi che le questioni scientifiche sono complesse e noi ci rendiamo conto dei livelli di complessità quanto più conosciamo. Sto dicendo che più conosciamo e più impariamo che le cose da conoscere sono in quantità sempre più grande. Noi conosciamo briciole di mondo con un mondo intero che deve essere ancora conosciuto. Voler affidare la risoluzione dei problemi alla scienza è illusorio e, spesso, fare campagne giornalistiche di esaltazione della scienza è pericoloso. Su questa strada ha aiutato molto un movimento filosofico chiamato Positivismo della prima metà dell’Ottocento (con appendici nel Neopositivismo o Positivismo Logico della prima metà del Novecento) e quindi i suddetti giornalisti o divulgatori hanno legittimazione addirittura culturale. Per parte mia considero il Positivismo con il Neopositivismo la metafisica della scienza, un qualcosa assimilabile al sovrannaturale. Su questo, comunque, vale la pena soffermarsi almeno un poco. E’ comunque la mia una preoccupazione esagerata perché la scienza, purtroppo, compare solo di rado nei mezzi di comunicazione. Meglio occuparsi di oroscopi (vedi Appendice A), di paranormale, di superstizione, di metafisica (vedi Appendice B), di miracoli (vedi webografia). E’ meno impegnativo per le deboli menti. Meglio il destino, il fato, la congiunzione astrale piuttosto che faticare nel pensare.

          In genere, in Italia, soffriamo di un grave problema. I giornalisti che parlano di scienza sono totalmente ignoranti di essa. Disponiamo di pochissimi giornalisti scientifici che hanno comunque poco spazio. La cosa riveste una grande rilevanza negativa perché noi tutti siamo informati su cos’è la scienza da questa informazione. Ed allora noi abbiamo notizia di fatti clamorosi, di scoperte apparentemente importanti, del pettegolezzo scientifico, ma della scienza, del come si fa, del nocciolo dei problemi, del cosa è importante, del cosa è appariscente sappiamo molto poco. Ho letto articoli sulla mela di Newton, su Einstein che non sapeva la matematica, su Galileo che non ha dimostrato che la Terra gira intorno al Sole, su Zichichi che sarebbe un grande fisico, sull’energia nucleare, sugli OGM, sull’amianto, … che davvero fanno cadere le braccia per l’improvvisazione, la superficialità, a volte l’irresponsabilità che vi è dietro (come quando si dà credito ai ciarlatani curatori di gravi malattie). Quando, ad esempio, il nostro ministro dell’Istruzione, Mariastella Gelmini, si congratulò per l’esperimento che aveva fatto viaggiare i neutrini tra le Ginevra e l’Aquila, affermando che era stato il governo che aveva finanziato il tunnel entro cui i neutrini avevano viaggiato, non trovai alcuna irritazione o quanto meno sorpresa nei primi articoli che raccontavano la bestialità. A fronte di questo, vi sono notizie estremamente importanti che non troviamo da nessuna parte. Ad aprile 2015 è scomparso uno dei massimi fisici mondiali, Giorgio Salvini. Non troverete notizie significative sulla massima parte dei quotidiani. Per intenderci, quante volte avete avuto in TV l’opinione di un fisico come il citato Salvini, come Amaldi, Conversi, Cabibbo, Cini, Carlo Bernardini, Parisi, … a fronte della presenza ossessiva ed inutile di un tal Zichichi? Inoltre, perché un fisico deve essere intervistato sulla fisica e dintorni mentre un letterato ha facoltà di opinare sulle sorti politiche, sociali, culturali ed economiche del mondo intero? E ciò avviene proprio per quanto dicevo più su: l’ignoranza totale dei giornalisti che si occupano di fatti che riguardano la scienza e, dalle preparazioni umanistiche che hanno, parlano di scienza senza ritegno. Magari dipende dai direttori dei giornali che affidano questi compiti a neoassunti tanto per togliersi di torno il problema. Sta di fatto che mai nessuno affiderebbe la cronaca di un convegno su Dante ad un fisico e, aggiungo io che sono un fisico, che mai un fisico a mia conoscenza accetterebbe tale incarico.

          Pensiamo alle informazioni che abbiamo sulla meteorologia. Vi sono giornalisti che se la prendono con i meteorologi per previsioni ritenute sbagliate. Non si riescono a dire due cose importanti ai lettori: le previsioni sono probabilistiche; non si possono fare previsioni attendibili su piccoli territori. Questo perché le variabili in gioco sono in quantità molto elevata e noi dobbiamo costruirci dei modelli approssimati dei comportamenti di tali variabili nell’azione dell’una sull’altra. 

 COME CI APPARE LA MATERIA

          Torniamo alla scienza, comunque molto meno ansiogena, attraverso la difficoltà che ho avuto nell’iniziare a scrivere questo testo. Proprio a ricerca del clamoroso allontana in genere l’attenzione da argomenti (apparentemente) semplici. Parlare di un computer può sembrare più affascinante che non parlare di massa o gravità. Chiunque però riuscirebbe a scrivere almeno 1000 pagine su un computer e solo poche righe sulla massa e poche di più sulla gravità. E, senza alcuna paura di essere smentito, perché il secondo e terzo argomento sono di gran lunga più complessi, essendo la massa comunque preliminare al computer.

Ma su questi argomenti tornerò più oltre, dopo aver ripreso il nostro cammino che avevamo lasciato, alle tre grandezze, pressione, volume e temperatura che avevamo scoperto avere un ruolo importante per stabilire alcune caratteristiche ed alcune modalità attraverso le quali ci appaiono le sostanze.

          Sappiamo tutti ed ho già detto che nel mondo naturale circostante abbiamo a che fare con solidi, liquidi ed aeriformi. Cos’è che distingue questi differenti stati della materia? Abbiamo già detto che tutti e tre gli stati delle materia subiscono variazioni di volume dovute alla temperatura. Abbiamo anche visto che anche la pressione produce variazioni di volume (legge di Boyle). Se non spingiamo le variazioni a livelli superiori, non riusciamo a capire cosa differenzia i vari stati e, soprattutto, se vi è qualcosa che, nelle variazioni, rimane costante o meglio invariante (almeno fino al 1905 quando Einstein mostrò che la massa varia quando si muova a velocità fantastiche, vicine a quelle della luce).

          Partiamo dall’acqua. Intorno a noi è generalmente liquida ma è anche solida (ghiaccio) e aeriforme (vapore emesso nell’ebollizione).           Quindi qui parlare di solido liquido o aeriforme è privo di significato. Possiamo solo dire che l’acqua è solida liquida o aeriforme a seconda a quale temperatura siamo. E ciò vale per tutte le sostanze che conosciamo. E’ anche possibile pensare al cambiamento di stato di una sostanza semplicemente agendo sulla pressione. Ancora con l’acqua, è possibile farla bollire e quindi farla diventare aeriforme, se disponiamo un recipiente che la contiene dentro una macchina per fare il vuoto. Il fenomeno dell’ebollizione, così come lo abbiamo descritto, avviene allo stesso modo man mano che togliamo l’aria dal vano in cui abbiamo sistemato la pentola. Oltre a questi, abbastanza ordinari, possiamo avere altri fenomeni per noi straordinari, ad esempio in pianeti con temperature e pressioni per noi inimmaginabili, è normale avere aria liquida ed addirittura aria solida. A ben pensarci anche nella nostra casa possiamo osservare strani fenomeni ai quali generalmente non facciamo caso: abbiamo a che fare con dei solidi che diventano aeriformi senza passare per lo stato liquido. Dove lo possiamo osservare? Pensateci e rispondetevi anche cercando di darvi una spiegazione.

          Ma se è tutto così variabile, se non possiamo fidarci del volume di una sostanza, se anche il fatto che essa sia solida liquida o aeriforme dipende da fattori esterni come pressione e temperatura, c’è qualcosa che possa caratterizzare un oggetto e che resti invariante al variare delle condizioni ambientali? Non è la temperatura.  Non è la pressione o il volume perché abbiamo visto che queste grandezze dipendono dalla temperatura.

          E’ arrivato il momento di introdurre lo strumento di misura della grandezza massa, già introdotta.

LA BILANCIA

          Ho già accennato alla massa ed al fatto che alla sua unità di misura, il chilogrammo, lavorò Lavoisier. Ma come misuriamo le masse? O meglio, come possiamo mettere in relazione il campione di massa con una massa da misurare? Serve, come tutti sapete, una bilancia. Ma non è così semplice perché esistono almeno due tipi di bilancia da utilizzare per misurare grandezze diverse. Quando abbiamo parlato di peso abbiamo trovato che una persona che sulla Terra pesi, ad esempio, 60 chilogrammi (specificherò meglio più oltre), nello spazio può essere privo di peso. Evidentemente quella persona non sparisce.

Semplicemente perde la proprietà di pesare perché, come già detto, il peso è la forza di attrazione della terra sugli oggetti (la gravità) e se la Terra è lontana e non attrae più una persona, quella non pesa più. Possiamo ora aggiungere che ogni pianeta esercita la sua attrazione sugli oggetti o persone e che la gravità di pianeti diversi è generalmente diversa. Ad esempio, quell’uomo che sulla Terra pesa 60 kg, sulla Luna ne peserebbe circa 10, su Marte meno di 20, su Venere e su Urano circa 50, su Saturno circa 70, su Giove circa 160, su Plutone circa 4. Invece la sua massa, la sua struttura materiale resterebbe la stessa (su Giove sarebbe molto compresso, come chi facesse un’immersione in acque profonde, ma la materia che costituisce il suo corpo resterebbe la medesima). E come effettuiamo la misura del peso? Attraverso la bilancia … Ed ecco che scopriamo che la bilancia misura due grandezze diverse, la massa ed il peso. Evidentemente quella che misura il peso deve essere diversa da quella che misura la massa. Tra l’altro, mentre della massa abbiamo dei campioni, del peso non solo non abbiamo campioni ma è anche concettualmente impossibile averne.

          Iniziamo a capire come si misura il peso e quindi come deve essere fatta una bilancia che lo misura. Ricordiamo che il peso è una forza, la forza di attrazione, ad esempio, della Terra su di un corpo. Se vogliamo misurare una forza possiamo pensare a cose semplici, come ad allungare o comprimere una molla (vi sono quelle molle, gli estensori, che servono a fare ginnastica mediante la loro ripetuta espansione mediante la forza delle braccia o quelle che nei Luna Park si colpiscono con un grande martello per comprimerle e far salire un oggetto fino a colpire una campana posta in alto).

Se vogliamo pesare delle patate possiamo usare una molla elicoidale appesa in alto ad un gancio. Sospendiamo al gancio in basso un sacchetto con alcune patate: la molla si allungherà di un certo tratto che noi possiamo segnare sulla parete. Più aggiungiamo patate più la molla si allunga perché il peso aumenta. Basta stabilire che ad ogni centimetro di allungamento corrisponde una quantità di patate ed abbiamo trovato l’oggetto per misurare il peso che cercavamo (il nome corretto di questa bilancia è dinamometro). E’ possibile anche avere una molla elicoidale di grande diametro sulla quale è disposto un piatto. Gli oggetti da pesare li mettiamo sul piatto ed in questo caso avremo la compressione della molla. Anche qui arrangeremo delle tacche e l’operazione di misura sarà identica alla precedente. Su questi principi di base sono costruite le bilance delle quali ci serviamo ordinariamente.

Con le molle non facciamo altro che utilizzare la gravità per quella che è: facciamo cadere gli oggetti per un poco, fino a quando non ci dicono quale forza peso esercitano sulla molla. Debbo però avvertire di alcuni problemi, che interessano poco con le patate ma molto, ad esempio, se compriamo oggetti di un certo valore in cui si richiede una precisione superiore (due grammi in più o in meno di patate sono qualcosa di diverso da due grammi in più o in meno d’oro). La prima osservazione riguarda la struttura della molla. Essa può essere compressa e dilatata senza creare problemi se le sollecitazioni sono piccole, da un certo punto in poi quella mola perde le sue caratteristiche elastiche e quindi la bilancia è da buttare (vi sarete accorti che sulle bilance ordinarie che utilizziamo vi è sempre scritto fino a che peso possono essere usate). Altro problema riguarda la linearità della espansione o contrazione di una molla rispetto al peso che la utilizza. Problemi analoghi li abbiamo incontrati quando abbiamo parlato del termometro. Una buona bilancia a molla è quella che, ad esempio, si dilata sempre di un centimetro per ogni chilogrammo che gli appendiamo. Se questo non è, tale bilancia è poca cosa. In ogni caso ho qui parlato del peso di una persona affermando che è dato in chilogrammi e sottintendendo che quella sia l’unità di misura. Il chilogrammo (con la specificazione peso) è una misura di peso ma solo tollerata in quanto d’uso comune. La misura del peso, che è una forza, è la stessa della forza (il Newton che in simboli è N) e qui, per ora non interessa.

          Passiamo ora a parlare della bilancia che misura la massa immaginando di realizzarla semplicemente, come visto per la bilancia che misura i pesi. Per capire meglio cosa vogliamo fare pensiamo a quell’altalena realizzata con una tavola che può oscillare col la sua metà poggiata su un qualcosa che faccia da sospensione. Due persone dello stesso peso che si mettessero a cavalcioni alla due estremità della tavola resterebbero ferme, praticamente in equilibrio. Ma se una delle due colpisce il suolo con i piedi va a far innalzare la metà tavola su cui è seduto mentre fa abbassare l’altra metà dove è seduta l’altra persona. Quest’ultima, a sua volta, colpisce il suolo ed il processo si ripete uguale. In pratica si ha un’oscillazione delle due persone intorno alla sospensione della tavola. Utilizziamo in piccolo un tale sistema. Occorre un’asta rigida, che chiameremo giogo, in grado di oscillare intorno al suo punto intermedio, che chiamiamo fulcro, situato sopra un’altra asta rigida fissata su una base di appoggio e sostegno poggiata su un tavolo. Alle estremità dell’asta colleghiamo, mediante piccoli spaghi dei piattelli sui quali è possibile sistemare dei piccoli oggetti. Abbiamo così una bilancia che è in grado, come dirò, di misurare le masse (si veda tale bilancia affiancata a quella pesapersone nell’ultima figura). Naturalmente la costruzione di tale oggetto deve essere estremamente curata tanto da originare quelle bilance che possiamo osservare in farmacia o da un orefice (spesso situate dentro una teca di vetro). Un tale sistema, senza nulla sui piattelli, deve essere perfettamente in equilibrio (i due piattelli alla medesima quota). Prima di misurare facciamo una piccola osservazione. I piattelli di per sé pesano, sono quindi soggetti ad una forza peso. Se togliamo un piattello, l’asta ruoterà sul fulcro facendo cadere sul tavolo l’altro piattello. Cosa è accaduto? Avendo tolto un piattello abbiamo permesso alla forza di gravità di agire sull’altro piattello. Quest’ultimo era mantenuto in alto dalla presenza dell’altro piattello. Quindi i due piattelli si equilibrano l’un l’altro poiché ambedue soggetti alla medesima forza peso. In pratica un peso annulla l’altro e la bilancia è in equilibrio (una tale bilancia è chiamata a bracci uguali). Ma se i pesi sono annullati, cos’è che equilibra il sistema? Ebbene, lo avete già capito: sono le masse dei due piattelli. Così come ho presentato la cosa posso solo dire che, se i due piattelli sono in equilibrio alla medesima quota, essi hanno masse identiche. Ma quanto vale ciascuna massa? O meglio, come misuriamo una sola massa? Subentra qui il campione di massa che abbiamo a disposizione, i suoi multipli e sottomultipli. Supponiamo di voler misurare la massa di un piccolo oggetto. Lo mettiamo su un piattello. Questo scenderà di quota rispetto all’altro che si innalzerà di una medesima quota. Per riportare la bilancia in equilibrio disporremo sull’altro piattello dei campioni di massa finché non raggiungeremo lo scopo. Faremo poi il conto dei campioni di massa usati, semplicemente sommandoli, ed avremo il valore della massa del piccolo oggetto.

          Debbo ora porre un problema. Perché è così importante misurare le masse con la bilancia a bracci uguali piuttosto che attraverso i pesi di tali masse misurati con la bilancia a molla? Per rispondere a questa questione dobbiamo affrontare un altro problema: la gravità terrestre.

          Abbiamo detto più volte che la Terra attira su di sé gli oggetti e la forza che la Terra esercita su tali oggetti è la forza peso. Questa forza dipende dalla massa dell’oggetto che pesa; dalla massa dell’oggetto che lo attira (abbiamo visto che se tira la Terra un corpo pesa 60 ma se è la Luna a tirare quello stesso corpo pesa 10); infine dalla distanza a cui i due oggetti (quello che attira e quello che è attirato) si trovano (più grande è tale distanza, molto più piccola, è la forza attrattiva e qui sta a voi andare ad indagare più a fondo quanto ho detto con aggettivi precisi). Attenzione perché la distanza tra un oggetto e la Terra va considerata tra l’oggetto ed il centro della Terra. Insomma la Terra deve essere assimilata ad una massa concentrata nel suo centro. La relazione precisa che stabilisce come due masse qualunque nell’universo si attraggono (mela che cade dall’albero(1) e Terra allo stesso modo di Terra con Sole) fu stabilita da Newton che utilizzò molti dati osservativi, i risultati di Copernico, di Kepler e di Galileo. Egli trovò la Legge di Gravitazione Universale che io riporto solo in una figura.

In figura: Due masse qualunque, M1 ed M2, si attraggono con una forza FG che aumenta all’aumentare del prodotto tra le due masse e diminuisce di molto (con il quadrato) della distanza d tra i centri delle due masse. La G che compare nella formula è una costante chiamata Costante gravitazionale.

Veniamo ora a considerare la Terra ed il suo centro. Se la Terra fosse una sfera perfetta, qualunque luogo sarebbe alla medesima distanza dal centro ed un dato oggetto peserebbe esattamente lo stesso in qualsiasi luogo lo misurassimo. Ma la Terra non è una sfera perfetta e vi sono dei luoghi su di essa che risultano a distanze diverse dal centro della Terra. Ciò vuol dire che in luoghi diversi i pesi degli oggetti sono diversi ma, ormai lo sappiamo, le masse si mantengono sempre le stesse. Il peso di un dato oggetto al Polo è maggiore del peso dello stesso oggetto all’Equatore e questo perché la Terra è (in prima approssimazione) una sfera schiacciata ai Poli e quindi la distanza dal centro è minore al Polo che non all’Equatore. A minore distanza corrisponde molto maggiore forza attrattiva e quindi maggiore peso. La bilancia a bracci uguali invece ci fornirebbe sempre la stessa lettura sia al polo che all’Equatore. Ed allora dove nasce l’insostituibilità della bilancia a bracci uguali? Senza di essa vi sarebbe una fila di persone che si recherebbero a comperare oro in oreficerie situate in Paesi equatoriali per poi andarle a rivenderlo in Paesi che si trovano vicini al Polo. Un viaggio di spostamento tra Equatore e Polo ci farebbe fare grandissimi affari.

          Deve quindi esser chiaro che massa e peso non devono essere confuse, essendo la seconda una forza che agisce su una massa. L’unità di misura della massa è il chilogrammo (kg) e quello di peso è, come accennato, il newton (N). Dire quindi che io peso 70 kg è (oltre che una pia illusione) scorretto perché si dovrebbe dire che io peso 686,7 N ma, nel linguaggio comune si utilizza il termine peso nel senso di massa. Quando si dice che io peso 70 kg si dice in realtà che io peso 70 kg peso (70 kgp) che corrispondono ai newton suddetti, con il sottinteso di considerare 1 kgp = 9,81N (questa uguaglianza la vedremo meglio più oltre).

          La scoperta della massa è una grande scoperta perché ci ha messo a disposizione un qualcosa che non varia al variare di condizioni fisiche e climatiche. Ma siamo sicuri che è sempre così?

LA CONSERVAZIONE DELLA MASSA

          La massa è una grandezza che si mantiene sempre uguale a se stessa, qualunque siano le condizioni fisico chimiche al contorno? Pensiamo di disporre di una candela e di accenderla. Passerà del tempo e la candela sparirà, lasciando un poco di cera dove era poggiata. Se confrontiamo la massa della candela iniziale con quella della cera rimasta dobbiamo concludere che abbiamo perso massa. Ed allora? Alla soluzione di questo problema si dedicò Lavoisier sul finire del XVIII secolo. Sul piattello di una bilancia a bracci uguali disponiamo una candela equilibrata con masse campione. Accendendo la candela osserviamo che, man mano che essa brucia, la bilancia pende sempre più dal lato del piattello su cui sono sistemate le masse campione. Possiamo osservare che la massa che sembra mancare è quella dei fumi emessi dalla candela che brucia ed allora poniamo in essere un artificio che ci permetta di valutare la massa dei fumi. Ricominciamo l’esperienza sistemando una specie di piccola cappa di vetro sopra la candela. Su questo vetro spalmiamo una sostanza che cattura i fumi in modo da essere sicuri di non disperdere nulla. Equilibriamo il tutto con le masse campione e riaccendiamo la candela. Osserviamo ora un fatto che appare straordinario: man mano che la candela brucia, la bilancia pende sempre più dal lato del piattello su cui è sistemata la candela stessa! Cosa accade? I fumi della combustione fanno reazione chimica con l’aria e trasportano anche essa ad aderire alla sostanza spalmata sulla cappa. Quindi sulla cappa non vi è solo ciò che produce la candela ma anche l’aria circostante che viene convogliata su di essa. Ricominciamo di nuovo l’esperienza sistemando la candela dentro un recipiente di vetro chiuso, abbastanza grande da contenere molta aria (questo dettaglio dovrete studiarlo da soli). Equilibriamo il tutto con le masse campione e riaccendiamo la candela. Ebbene, questa volta, per quanto bruci la candela, non viene alterato l’equilibrio dei bracci della bilancia. Possiamo concludere (e di prove ve ne sono diversissime) che la massa è una grandezza che si conserva.

          Prima di passare ad altre semplici scoperte è utile introdurre una nuova grandezza, la densità. Riferendoci alla proprietà di conservazione della massa possiamo chiederci se corpi di ugual massa hanno lo stesso volume. La risposta è decisamente negativa. Ci possiamo poi chiedere se un’unità di volume di una sostanza ha la stessa massa di una unità di volume dell’altra sostanza. Anche qui la risposta in generale è negativa. E’ allora utile introdurre la grandezza densità di una sostanza che è definita come la massa per unità di volume di una data sostanza. Chiediamoci se la densità può servire a distinguere le sostanze. Anche qui la risposta è no perché, se è vero che la densità è un carattere di ogni sostanza, nulla vieta che esistano due sostanze con uguale densità (destrosio e levulosio oppure glucosio e fruttosio). La densità è quindi un qualcosa che non distingue in assoluto ma aiuta a caratterizzare le sostanze.

IL TEMPO

          Abbiamo fatto un largo giro tra varie grandezze evitando accuratamente la grandezza tempo, la più intrigante, la più delicata da trattare per la soggettività che introduce, quella che più crea un solco tra la soggettività di cui sopra e l’oggettività dei fenomeni da trattare in cui il tempo la gioca da padrone. Faccio un esempio banale che tutti sappiamo cosa vuol dire. La cadenza ritmata del segnale telefonico che ci dice essere quel telefono libero, è sempre la stessa: tra un suono ed il successivo vi è sempre lo stesso tempo. Se però telefoniamo, ad esempio, ad un pronto soccorso per dire che abbiamo dei problemi in famiglia, la distanza tra un suono ed il successivo si dilata in modo insopportabile; se telefoniamo invece per sapere come è andato un nostro esame, allora il tempo tra un suono e l’altro sembra ridursi drasticamente. Questo è il tempo soggettivo che, con cura, dobbiamo separare da quello oggettivo.

          Una grandezza perché abbia un senso in questioni scientifiche, ormai deve essere chiaro, deve essere misurabile ed il tempo presenta difficoltà maggiori dalle altre grandezze incontrate. Tralasciando le utili ma molto capricciose clessidre ed altre curiose invenzioni come misurare il tempo attraverso il peso dell’acqua che un recipiente versava goccia a goccia su una bilancia, fu una scoperta di Galileo ad iniziare la strada della realizzazione di uno strumento attendibile di misura del tempo. Galileo si trovava in chiesa ed in essa osservò l’oscillazione, dovuta ad una corrente d’aria, di una lampada. Fu colpito da quell’oscillare che sembrava sempre uguale e misurò ogni singola oscillazione con il battito del suo polso. Si trattava di oscillazioni di piccola ampiezza e Galileo scoprì che avvenivano tutte in un medesimo tempo (isocronismo del pendolo per piccole oscillazioni). Questa scoperta di Galileo fu la base da cui partì Huygens per realizzare il suo orologio a pendolo che aumentò enormemente la precisione nella misura del tempo. Egli aveva incorporato al pendolo, che oscillava per un tempo limitato, il meccanismo di un orologio alimentato da pesi in caduta rallentata su una ruota dentata, in modo da mantenere l’oscillazione per tutto il tempo che tali pesi impiegavano nella loro caduta. Alla base del pendolo di Huygens vi era la sua invenzione dello scappamento, un sistema meccanico che permetteva di mantenere per molto tempo le regolari oscillazioni del pendolo e di misurare intervalli di tempo relativamente piccoli (fino ad un secondo). Si tratta di un sistema meccanico che trasforma il moto oscillatorio in moto rotatorio. L’energia a tale sistema era fornita da una massa che, mediante una corda, si srotolava per gravità da un cilindro (per i dettagli della scoperta di Huygens e di altri suoi lavori si veda webografia).

          Cerchiamo ora di definire non già il tempo, impresa difficilissima, ma una unità di misura per esso. Ricorderete che per definire l’unità di misura della lunghezza ci siamo riferiti ad una grandezza di tipo astronomico (il meridiano terrestre) prescindendo dalla definizione, anch’essa difficile, di spazio. Ci interessiamo quindi non allo sfuggente tempo ma alla durata di un dato fenomeno confrontandola con la durata di un altro fenomeno scelto come unità di misura. Anche qui il riferimento è ad un fenomeno astronomico a due passaggi successivi del Sole sullo stesso meridiano terrestre, durata nota come giorno solare vero. Ora si è scoperto che questi giorni solari veri sono diversi nel corso di un anno ed allora si sono misurati tutti questi giorni solari veri per un anno intero e si è fatta una media aritmetica della loro durata (somma di tutte le durate diviso per il numero delle durate misurate). Questa media è stata chiamata giorno solare medio la cui durata è stata suddivisa in 86.400 parti. L’unità di misura del tempo è appunto la 86400° parte del giorno solare medio ed è stata chiamata secondo (osservo a parte che: il giorno solare medio diviso 24 ci fornisce l’ora; che un’ora divisa per 60 fornisce il minuto; che il minuto diviso 60 fornisce il secondo).

IL MOTO

          Disponiamo di lunghezze e tempi, possiamo allora parlare di movimento, un fenomeno che mette in relazione in vari modi lunghezze e tempi. Naturalmente, come per altri fenomeni da studiare, si parte prima dalla comprensione di fenomeni semplici per poi passare alla comprensione di fenomeni sempre più complessi. Sarebbe sciocco voler discutere come primo movimento quello del moto di un carrello in un otto volante. Pensiamo invece al moto lungo una retta di un oggetto che scivola sul ghiaccio. E’ abbastanza semplice capire che questo oggetto percorre medesime lunghezze in medesimi tempi. Questo tipo di moto, il più semplice, è il moto rettilineo uniforme caratterizzato da una velocità costante. Questa nuova grandezza, la velocità (v), ci dice quanta lunghezza (s) viene percorsa in un dato tempo (t). E’ quindi definita come lunghezza divisa per tempo: v = s/t e ha per unità di misura il metro al secondo, m/s. E’ chiaro che negli infiniti moti con cui abbiamo a che fare un moto così è raro oppure si verifica per tempi brevi ma è utilissimo averlo presente. Un altro moto rilevantissimo è quello in cui la velocità varia sempre allo stesso modo (sia aumentando che diminuendo). Quando la velocità varia comunque nel tempo abbiamo a che fare con un moto accelerato. Quando la velocità varia in modo uniforme nel tempo abbiamo a che fare con un moto uniformemente accelerato. Questo moto è onnipresente nelle nostre esperienze di vita quotidiana. Abbiamo a che fare con esso quando osserviamo oggetti in caduta. Detto in altro modo: la forza di gravità provoca il moto uniformemente accelerato della massa su cui agisce. Ma come possiamo definire meglio l’accelerazione e qual è la sua unità di misura? Questa grandezza descrive la variazione di velocità nel tempo. E’ presente in ogni moto, basta pensare al tragitto che un automobile percorre da una città ad un’altra. Si avranno accelerazioni positive, poi velocità costanti, poi accelerazioni negative, moti rettilinei, moti circolari, moti rettilinei uniformi, … insomma una varietà di ogni moto possibile e, come annunciato, noi dobbiamo estrarre da moti complessi quelli semplici per poterli capire meglio. Ed un moto relativamente semplice da studiare è quello in cui si ha una accelerazione costante chiamato moto uniformemente accelerato. E’ questo il caso di un oggetto in caduta.

          Vediamo ora qual è l’unità di misura di questa grandezza. Consideriamo un’automobile che parte da fermo e vari la sua velocità di 5 m/s ogni secondo che passa. Ciò vuol dire che durante il primo secondo ha una velocità di 5 m/s, nel secondo intervallo di tempo di un secondo andrà alla velocità di 10 m/s, nel terzo secondo andrà a 15 m/s e così via. L’unità di misura è quindi il m/s ogni secondo, cioè ogni s. Questa unità si scrive così: m/s2 e si legge metro al secondo quadrato. Quindi, nel caso discusso, l’accelerazione dell’auto è di 5 m/s2. Se lasciamo cadere un oggetto da grande altezza, avrà un’accelerazione costante, quella propria della forza di gravità. Sulla Terra il valore medio di tale accelerazione è di 9,81 m/s2 e si usa indicare tale valore con g (all’Equatore vale 9,78 mentre ai Poli vale 9,83).

Con questa informazione in più riprendiamo, precisandole, alcune delle cose che abbiamo detto. Il peso che sappiamo essere una forza lo avevamo definito come p = k.m ed avevamo detto che il peso p era proporzionale alla massa m, con k costante di proporzionalità. Ora siamo in grado di dare il valore di k che è: k = g = 9,81 m/s2. Abbiamo quindi: p = m.g. Se invece della forza peso p, dovessimo considerare una forza qualunque F, allora quella costante k diventa una accelerazionea qualunque: F = m.a. E quest’ultima è la famosa definizione di forza che dobbiamo a Newton che ce la fornì con qualche problema che ancora oggi ci portiamo dietro e sul quale tornerò.

E poiché abbiamo introdotto la grandezza forza diciamo qualcosa anche relativamente all’uso si questa parola nel linguaggio comune. Spingere un mobile in casa è applicare una forza al tavolo. Tirare una corda a cui è legato un carrello è applicare una forza al carrello, lanciare un sasso è applicare una forza al sasso, dare una spinta ad un amico è … Insomma di esempi di applicazioni di forze ne possiamo trovare moltissimi.  Il fatto è che nel dire ciò che ho detto non ho tenuto conto di una grandezza che entra in gioco: il tempo. In tutti gli esempi riportati si tratta sempre di una forza applicata per un tempo breve. In tal caso la grandezza che utilizziamo non è propriamente la forza ma l’impulso che è, appunto, una forza applicata per un dato tempo. Dare uno schiaffo è dare un impulso al malcapitato, dare un calcio ad un pallone è fornirgli un impulso. Si potrebbe discutere molto su quanto ho ora scritto ed almeno alcune cose si possono aggiungere. Riferiamoci al lancio di un sasso che è il medesimo fenomeno che permette la messa in orbita o il lancio nello spazio di satelliti o astronavi. Quando la mano spinge il sasso, il sasso lascia la mano. Finché il sasso sta nella mano sta prendendo la spinta di essa, cioè la forza che essa gli imprime. Nell’istante in cui il sasso lascia la mano non vi è più alcuna forza che agisce su di esso perché la mano ha smesso di spingere. Solo un istante pensate a quanto ho detto e cercate di capire se ho imbrogliato il lettore. Rendiamo l’esempio un poco più semplice. Supponiamo che il sasso venga lanciato con la mano che lo spinge verticalmente verso l’alto. Già sappiamo che quando lascia la mano la forza della mano smette di agire, ma vi è qualche altra forza che agisce? Quel sasso rallenta la sua velocità fino a fermarsi per un istante ad una data quota e poi cominciare a ricadere. Possiamo certamente dire che vi è una variazione continua di velocità e, per quel che sappiamo vi deve essere una accelerazione che agisce sul sasso. Senza continuare a intrigare le domande sembra chiaro che la forza che agisce sul sasso, da quando ha lasciato la mano, è quella di gravità. Nella salita vi è una variazione di velocità negativa, vi è poi, nella caduta, una variazione di velocità positiva, passando per l’istante in cui il sasso è fermo in cima alla sua traiettoria. Che velocità ha quel sasso in cima alla sua traiettoria e che accelerazione ha? Sembra ragionevole dire che la velocità è zero ma è altrettanto ragionevole affermare una cosa del genere per l’accelerazione? Non lo è, perché nell’istante in cui il sasso è fermo su di lui agisce l’accelerazione di gravità. Essa agisce sempre e con continuità da quando il sasso lascia la mano e fino a quando ritorna in terra. Quell’istante in cui il sasso è fermo in aria è uno dei tanti istanti che accompagnano il sasso lungo la traiettoria che percorre, non vi è nulla di eccezionale.

Ora torno all’affermazione fatta qualche riga più su: lanciare un sasso è la stessa operazione realizzata nei lanci spaziali. Fu lo stesso Newton, oltre 300 anni fa, ad intuire la possibilità di messa in orbita di satelliti e lo fece illustrando il tutto con una figura estremamente suggestiva, la seguente.

          Se ci troviamo sulla cima di un monte V possiamo pensare di lanciare un oggetto a distanze sempre maggiori D, E, F, G, …applicando forze (in realtà impulsi) sempre maggiori. L’oggetto cade sulla Terra perché la forza di gravità lo costringe. Ma osservando la figura si vede che il sasso descrive una traiettoria che si avvicina ad un cammino circolare. Se riusciamo ad applicare una forza molto grande, l’oggetto tenderà sempre a cadere sulla Terra senza incontrarla mai: abbiamo messo un oggetto in orbita circolare. L’immaginazione può renderci molto potenti, servono poi degli strumenti che assecondino l’immaginazione. Questi strumenti sono i potenti motori che si utilizzano per mettere in orbita degli oggetti anche molto grandi. Avrete notato che i motori si accendono sputando fuori fuoco e fiamme. Se vi dicessi che è proprio la spinta verso il basso di questi fuochi e fiamme che spingono verso l’alto il gigantesco razzo, cosa avreste da dire? Qui vi è ancora quanto ha elaborato Newton a rendere conto di cosa accade. Cercate voi di capire di cosa si tratta. In ogni caso, tornando ai motori, finché essi sono accesi (e ve ne accorgete perché la cosa del razzo è ancora illuminata) vuol dire che sul razzo agisce una forza e quindi esso accelera. Appena si spengono i motori il razzo si muove di moto chiamato inerziale. Ciò avviene quando lo decidono dalla sala comando a Terra, cioè quando siamo nella condizione descritta da Newton, siamo alla quota ed alla velocità in cui la caduta del razzo sulla Terra avviene senza che il razzo la incontri mai. Da questo momento è stato messo qualcosa in orbita ed abbiamo creato un satellite artificiale. Torno ora un poco indietro perché ho fatto delle semplificazioni. I razzi che debbono mettere in orbita masse considerevoli, devono avere moltissimo combustibile da far bruciare nei motori. Il combustibile ha una massa molto grande ed appesantisce il razzo che abbisogna di più combustibile per mettere in orbita il combustibile. Non è un gioco di parole ma il problema che si è dovuto affrontare e risolvere per realizzare il lancio di masse sempre più grandi. Avrete sentito che i razzi più grandi, quelli che portano le masse più grandi in orbita, sono a tre stadi cioè fatti da tre pezzi assemblati in modo da sembrare un solo cilindro gigantesco. Nei due stadi che sono più in basso vi è solo combustibile e motori, nel terzo stadio vi è un motore più piccolo e la massa da mettere in orbita. Il razzo che sale dalla rampa di lancio brucia il combustibile del primo stadio e finché questo combustibile non è esaurito il razzo resta intero. Finito il combustibile del primo stadio esso si stacca dal resto del razzo cadendo a Terra. In questo istante si accende il motore del secondo stadio che fa la stessa operazione del primo, finita la quale anche il secondo stadio si stacca. Siamo quasi arrivati in orbita e l’ultimo motore, insieme al poco combustibile rimasto, serve solo per realizzare piccoli aggiustamenti di orbita.

          Nel caso in cui non si voglia restare in orbita ma andare in giro per lo spazio, il restare in orbita per qualche giro intorno alla Terra serve solo per utilizzare il sistema come una fionda gravitazionale o gravity assist che lancerà l’oggetto che vogliamo nello spazio profondo. Ma anche la forza gravitazionale di altri pianeti può essere utilizzata come fionda. Tutti i pianeti infatti hanno una loro attrazione gravitazionale che sebbene non riesca a far cadere la sonda spaziale contro di loro, può comunque deviarne la traiettoria ed in certi casi aumentarne la velocità. Si potrebbe anche pensare di lanciare direttamente l’astronave verso il bersaglio prescelto ma i consumi di combustibie renderebbero impossibile l’impresa. Con la fionda invece si ottiene un aumento di velocità a costo zero in termini di consumi di combustibile. La difficoltà è tutta in calcoli molto precisi. Inutile dire che vi sono apparati più complessi ma di essi non mi occupo. Vorrei solo dire che tutta la fisica ed i calcoli necessari a queste stupende imprese risale proprio a 300 anni fa. I tempi recenti hanno permesso la costruzione di oggetti adeguati all’impresa e la fisica più vicina a noi la troviamo nei sistemi di controllo del volo, nella miniaturizzazione dei sistemi elettronici, nei computers.

I cambiamenti d’orbita della sonda Galileo diretta verso Giove. (Credit: http://www.pagef30.com)

          Ancora una osservazione. Se riusciamo a spingere un razzo oltre il sistema gravitazionale terrestre (spingendolo ad oltre 40 mila chilometri orari), nell’ipotesi che nessun altro campo gravitazionale agisca (non è così perché la Luna ed il Sole hanno il loro campo gravitazionale e perché si rischia di passare vicini ad altri pianeti con le loro gravità) cosa accade? Il combustibile è finito e quindi cosa fa quel razzo? Quel razzo continuerà a camminare, con l’ultima velocità acquistata (molto elevata, intorno ai 40 mila chilometri l’ora), sempre in linea retta per un tempo infinito.

Questa scoperta è addirittura precedente a Newton e la dobbiamo al nostro grande Galileo. Si chiama Principio d’Inerzia.

          Quante cose! Come è bella la scoperta! E quante domande implica …

          Ecco, ora ho introdotto la parola inerzia e subito la mente si affolla di tante cose da dire, sulle quali lavorare, vediamone qualcuna.

          Riflettiamo un momento su quel razzo che continuerebbe a marciare ad una velocità costante in linea retta per un tempo infinito. Perché per parlare del Principio d’Inerzia ho dovuto esemplificare in tal modo? Perché sulla Terra il fenomeno non potrebbe realizzarsi perché abbiamo un paio di condizioni che ce lo impediscono. Se pensiamo ad esempio ad un oggetto che spingiamo per farlo scivolare su un piano, ci rendiamo conto che l’attrito è una forza che si oppone al moto che vogliamo realizzare. Occorre diminuire l’attrito per ottenere che l’oggetto, a parità di forza da noi applicata, si sposti più facilmente per un tragitto maggiore. E questo attrito lo possiamo certamente ridurre ma non riusciremo mai ad eliminare. Il massimo del successo lo otteniamo con un pattinatore su una pista piana e levigata di ghiaccio. Lì vi è un contatto di una sottile lama su una superficie che presenta il minimo pensabile di attrito: una spinta del pattinatore gli fa fare un lungo tragitto rettilineo a velocità quasi costante (sappiamo che piano piano diminuisce fino a far fermare il pattinatore). Inoltre, pur riducendo al massimo l’attrito vi è sempre l’aria in cui ci muoviamo che è un ostacolo al moto e dell’aria non possiamo sbarazzarci. Ora siamo in grado di comprendere perché per dare il Principio d’Inerzia dovevo riferirmi ad un luogo dove non esiste né attrito né resistenza dell’aria (sull’attrito dirò qualcosa più oltre).

Per essere più chiari possiamo pensare ad un’automobile che cammina su un rettilineo a 80 km/h. Se il conducente toglie il piede dall’acceleratore cosa accade? L’auto continua a camminare per inerzia? Si ma per poco tempo lungo un breve tratto, poi si ferma. Il fatto che dobbiamo premere sull’acceleratore non producendo accelerazione ma velocità costante mostra che applichiamo una forza (quella del motore) per contrastarne un’altra (quella di attrito sia del suolo che dell’aria). Qualcosa si può ridurre occasionalmente quando ad esempio (avete visto qualche corsa di formula uno o ciclistica?) un’auto si pone dietro un’altra o un ciclista si pone sulla scia dell’altro. Sia l’auto che il ciclista stanno riducendo la resistenza dell’aria e quindi sfruttando meglio la spinta che hanno dato.

Comunque qualche scampolo di inerzia, di moto inerziale, possiamo sfruttarla ma con attenzione. Tutti abbiamo avuto l’esperienza di spostare un mobile molto pesante. Avrete notato che il massimo di sforzo lo dobbiamo fare per iniziare a spostare il mobile, dopodiché il mobile marcia quasi da solo, tanto che dobbiamo addirittura frenarlo per evitare che vada a sbattere da qualche parte. Non ci crederete ma avete avuto a che fare con il Principio d’Inerzia, con il fatto cioè che la tendenza degli oggetti è di stare fermi o di marciare a velocità costante in linea retta. Scriveva Newton:

La forza insita (vis insita) della materia è la sua disposizione a resistere per cui ciascun corpo, per quanto sta in esso, persevera, nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

La massa quindi ha una inerzia che le impedisce di mutare la sua condizione. La ‘vis insita‘ di cui parla Newton non differisce dall’inerzia della massa, per cui forza insita può essere chiamata anche forza d’inerzia, resistenza degli oggetti a cambiare la loro condizione di moto o di quiete. Ed è evidente che più un oggetto ha grande massa più questa resistenza è evidente. Da ciò consegue che massa ed inerzia sono quanto meno due grandezze tra loro molto simili. Riguardo poi alla forza come causa del moto, Newton ci dà la seguente definizione:

Una forza impressa (vis impressa) è un’azione esercitata sul corpo al fine di mutare il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

Alla quale aggiunge la seguente che ci introduce ad un problema fondamentale, quello dei riferimenti rispetto ai quali un oggetto è fermo o in moto sul quale dovrò tornare:

Ciascun corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, eccetto che sia costretto a mutare quello stato da forze impresse”. Ebbene, in ambedue questi principi si ha a che fare con quiete e moto. Ma quiete e moto rispetto a che? Infatti, se si studia la posizione ed il moto di un dato oggetto in un dato riferimento, nessuno ci garantisce che questo riferimento sia in quiete od in moto rettilineo uniforme (principio di relatività). D’altra parte, come si può parlare, nel principio d’inerzia, di quiete o di moto rettilineo uniforme se questo moto rettilineo può essere percepito come svolgentesi su una linea curva da un osservatore che si trova su un altro riferimento? Poiché un moto che noi percepiamo come rettilineo può essere percepito in altro modo da un altro osservatore è allora indispensabile, per la validità del principio d’inerzia, specificare rispetto a quale riferimento il moto deve essere rettilineo.

GRANDEZZE SCALARI E VETTORIALI. ANCORA SULLE UNITA’ DI MISURA

          Un Presidente del Consiglio, che si considera un innovatore in tutto (anche se ha pubblicamente detto in modo tradizionalissimo che una equazione di matematica non può far sognare nessuno), ha assunto uno slogan che dovrebbe fornirci quella che è la sua volontà che dovrebbe, a sua volta, convincerci a sostenerlo. Lo slogan di tale Presidente, noto come il rottamatore (con ovvio significato della parola), è ♯cambiareverso dove il cambiare verso è preceduto da quel simbolo ♯ noto come hastag di chi, per mostrare la sua modernità, vive di twitter. Al di là del suo valore politico che qui non voglio assolutamente discutere, un tale Presidente mostra la sua totale ignoranza dell’uso corretto delle parole. So che voi lo sapete ma permettetemi di annoiarvi ripetendolo. Supponiamo di considerare una strada, quella che collega, ad esempio, Milano a Torino o Torino a Milano (evidentemente è la stessa strada). Dire la Torino-Milano è esattamente equivalente a dire la Milano-Torino. Non sto dicendo da dove a dove vado ma solo indicando quella strada, la sua direzione che unisce due città. Quando volessi dire dove vado fisserei un verso di percorrenza in quella direzione. E di versi possibili ve ne sono due e solo due: o vado da Milano a Torino o vado da Torino a Milano. Quindi una direzione è fatta di due versi. Tornando a chi ignora queste cose elementari, se si cambia verso si può solo andare indietro, ritornare da dove si è partiti. E se una persona usa lo slogan suddetto nega i motivi che glielo hanno fatto trovare. Quindi dire ignorante è poco perché occorrerebbe aggiungere tutti gli ignoranti del suo staff che fanno passare questi errori senza battere ciglio.

          Questo episodio, al quale potrei aggiungerne vari altri, mi serve per introdurre alcune specificazioni a lato delle grandezze che abbiamo introdotto ed alle loro unità di misura. Alcune di queste grandezze parlano per sé sole, dire ad esempio che la temperatura è di 50°C è dire tutto. Ma se dico che un oggetto si sta spostando a 20 m/s è informazione incompleta. Seguono infatti varie domande elementari: in che direzione? in che verso? Ebbene vi sono grandezze, chiamate scalari, per dare le quali basta un numero seguito dall’unità di misura, ve ne sono altre, chiamate vettoriali, che richiedono, oltre a questo, altre specificazioni come la direzione di moto ed il verso del moto. Riguardo alle grandezze che abbiamo incontrato si ricava subito che massa, temperatura, tempo sono delle grandezze scalari, mentre distanza percorsa, velocità, accelerazione, peso, forza sono grandezze vettoriali. Sulle prime non c’è nulla da dover aggiungere, sulle seconde occorre dire qualcosa in più relativamente al modo di scrivere la lettera che le rappresenta con la sua eventuale ulteriore rappresentazione grafica. Queste grandezze sono chiamate vettoriali perché sono rappresentabili con delle freccette chiamate vettori. Per indicare la lettera che le rappresenta e per distinguerle dalle grandezze scalari si possono usare vari metodi il più comodo dei quali è scriverle in grassetto, cosicché le grandezze più su elencate diventano: m, T, t quelle scalari e s, v, a, p, F quelle vettoriali (nel seguito userò questa convenzione). Altro modo di rappresentare le grandezze vettoriali è quello di tracciare sopra la lettera che la rappresenta una piccola freccetta, così che la grandezza vettoriale forza si scrive .

          Resta da vedere la rappresentazione grafica con i vettori anche perché permette dei calcoli geometrici molto semplici. Anche qui lascio a voi il compito di approfondire questo aspetto.

          Sulle unità di misura, soprattutto per quelle più complesse che qui non ho introdotto e che non introdurrò, vi sono delle avvertenze molto importanti da tenere presenti ed in particolare una legge che chiamo di omogeneità. Se si ha una formula in cui una forza è uguale ad una espressione complicata di tante altre grandezze, occorre verificare che l’unità di misura di prodotti, quozienti, radici, potenze, … delle grandezze che abbiamo a secondo membro sia quella della forza che ho a primo membro, semplicemente perché una forza è una forza e non può essere un’altra cosa. Dico questo perché spesso, anche senza accorgersene, si fanno degli errori nelle elaborazioni matematiche ed una forza rischia di diventare uguale ad una lunghezza! Lo studio di queste problematiche si fa attraverso le dimensioni delle grandezze, ed ancora una volta lascio a voi questo argomento di grande interesse.

RITORNIAMO ALLE FORZE

Abbiamo visto l’affermazione di Newton secondo la quale le forze originano il moto e quindi devono originare delle accelerazioni. Ma queste forze originano sempre delle accelerazioni?  Consideriamo il seguente «paradosso»: un blocco di legno di massa M è spinto con una forza F contro un muro. Per la seconda legge di Newton l’accelerazione è a = F/M. Da ciò sembrerebbe che il blocco dovesse accelerare cominciando a muoversi; tuttavia sappiamo dall’esperienza che il blocco non si muoverà.

Che cosa c’è di sbagliato? Questo paradosso si risolve osservando che la forza F dell’equazione F = Ma deve essere la forza complessiva agente sul blocco, detta risultante. Se due forze F1 e F2 agiscono entrambe sullamedesima massa M, allora Fris = F1 + F2. Sul mattone agisce, oltre alla forzaapplicata F, anche una seconda forza F’ esercitata dal muro sul blocco; la forzarisultante è allora Fris = F + F’. Ed F’ è uguale ed oppostaalla forza esercitata dal blocco sul muro, cosi F’ = – F. In tal modo Fris = F + (- F) =0; ora la seconda legge di Newton dà per risultato a = Fris/M = 0.

          Quanto detto equivale all’altro fenomeno che conosciamo. Se abbiamo una massa m di peso p posta su di un tavolo, la forza risultante agente sulla massa sarà Fris = p + (-Fp) = 0 perché – Fp è la forza di reazione che il tavolo esercita su m, forza tale da non far cadere m. La forza peso, agente su una persona di massa M, è responsabile del suo essere legata al suolo. Supponiamo ora che tale persona si trovi su un ascensore che scenda verso il basso con una accelerazione a. La Fris in questo caso sarà Fris = Ma (perché la persona non è in quiete, come la massa di cui prima, ma si muove con accelerazione a verso il basso) e da questa relazione possiamo ricavare il peso della persona:

Fp = p – Ma = Mg – Ma

Cioè

Fp = M(g a)

Ciò vuol dire che il peso di una persona diminuisce quando il suo corpo acquista un’accelerazione verso il basso. Se l’ascensore avesse accelerazione verso l’alto avremmo

Fp = M(g + a)

e ciò vuol dire che il suo peso aumenterebbe. Se invece l’ascensore cadesse liberamente avremmo che la sua accelerazione sarebbe uguale a quella di gravità, a = g, quindiil peso della persona si annullerebbe (condizione di assenza di peso, alla quale abbiamo accennato). Se invece avessimo a > g allora sbatteremmo la testa sul soffitto dell’ascensore.


DALL’ATTRITO AL CALORE

          Quell’attrito al quale abbiamo accennato come impedimento al moto inerziale, merita molta attenzione ed io cercherò di creare una qualche curiosità. L’attrito impedisce il moto, è un ostacolo, potessimo eliminarlo, … Frasi note che non fanno i conti con la realtà. Verrebbe da dire: non calunniate l’attrito! E vi dimostro subito che quando si insulta questo fenomeno si reclamano cadute clamorose. A me è capitato, perché ho molti anni e vivevo quando in inverno gelavano le pozzanghere (oggi con il riscaldamento globale questo fenomeno è sempre più raro nelle città), è capitato, dicevo, di scivolare sul ghiaccio e di cadere rovinosamente al suolo. Solo la mia giovane età mi ha salvato dal rompermi in vari pezzi. Che c’entra questo discorso con l’attrito? Non ci pensiamo mai ma il nostro camminare sicuri è proprio dovuto all’attrito.

Da: http://www.ilpendolodifoucault.it

Noi possiamo far seguire un passo ad un altro perché con un piede spingiamo sul terreno mentre solleviamo l’altro piede che subito dopo eseguirà lo stesso movimento. Se il primo piede non ha un solido e fermo sostegno nel terreno, scivola e, poiché l’altro piede è in alto per fare il passo successivo, il nostro corpo cade al suolo con conseguenze non piacevoli. Detto in termini più tecnici: il nostro piede esercita una azione (forza) sul suolo ed il suolo esercita una forza contraria sul piede, forza che ci spinge in avanti (non tratterò la cosa ma siamo di fronte al Principio di Azione e Reazione, già intravisto nel paragrafo precedente, scoperto ancora da Newton). Di passaggio osserviamo che per andare avanti occorre spingere indietro (lo avevamo già notato con il razzo che si alza perché spinge verso il basso il suo combustibile in fiamme).

          Quanto detto basta a riabilitare l’attrito e ci permette di fare un discorso che serva a chiarire varie cose. Dal punto di vista scientifico l’attrito è ancora qualcosa di non perfettamente chiaro, non sempre definito con una relazione che descriva perfettamente di cosa si tratta. Ne è testimonianza il suo studio sistematico, in grandissima parte empirico, iniziato solo con Coulomb (1736 – 1806) nel 1781. Coulomb studiava le macchine e cercava di capire quale fosse in esse il ruolo dell’attrito. Posso iniziare da qui per capire qualcosa sull’attrito. Intanto vi sono tipi differenti di attrito: quello radente e quello volvente. Se spingiamo una cassa su un pavimento (attrito radente) abbiamo a che fare con la resistenza che l’attrito tra legno della cassa e pavimento esercitano tra loro, Se però abbiamo un carrellino a ruote, scopriamo che è molto più facile spostare la cassa (attrito volvente). Ma anche sull’attrito radente c’è molto da dire. Sembrerebbe che si riduce l’attrito all’aumentare la levigatezza delle superfici a contatto. Ebbene provatevi a spostare una lastra di vetro su un’altra lastra di vetro. Vi accorgerete che è molto complicato. Cosa accade? E’ la natura delle superfici a contatto che entra in gioco e ci fa capire che nella maggior parte dei casi, contrariamente a quanto si potrebbe pensare,  l’attrito è indipendente dalle aree delle superfici a contatto, mentre dipende fortemente dalla natura e dallo stato delle superfici: esso decresce rapidamente al diminuire della rugosità (al crescere, fino ad un certo punto, della levigatezza) delle superfici a contatto, dipendono fortemente dai materiali con cui sono fatte le superfici, dalla temperatura, dalla presenza di materiali estranei ed in particolare dalla presenza di lubrificanti. Quando due corpi sono a contatto,1’area di contatto effettiva è inferiore a quella apparente, giacché a causa della presenza di rugosità, il contatto avviene in corrispondenza delle asperità.

Tale area di contatto cresce aumentando la pressione di un corpo su l’altro in seguito alla deformazione dei corpi. Questa circostanza fa comprendere come nei casi normali (quando cioè le pressioni che spingono i due corpi l’un contro l’altro in corrispondenza all’area apparente non sono notevolmente elevate) le forze di attrito, che è logico assumere proporzionali all’area effettiva di contatto, non dipendano dall’area apparente di contatto e crescano proporzionalmente alla pressione di un corpo su l’altro.

          Fatte queste osservazioni sull’attrito radente è abbastanza chiaro che quello volvente, a parità di altre condizioni, è generalmente minore proprio perché si riduce di molto la superficie di contatto. Ma, anche qui, occorre fare attenzione. Come nel caso del camminare, piede che avanza, se riduciamo l’attrito del suolo, avremo un effetto migliore ma fino ad un certo punto. Se tale attrito si riduce di molto (ruota su ghiaccio o presenza di olio sul terreno) la ruota non può avanzare e si dice che slitta (con conseguenze che possono essere drammatiche. Serve che vi sia la forza d’attrito (A) che si combina con quella (F) che spinge in avanti la ruota per avere moto.

E poiché, come già detto, a parità di altre condizioni, l’attrito volvente è conveniente, l’uomo inventa meccanismi tecnologici che trasformino lo strofinio con il rotolamento (non è un caso che la ruota è data come una delle massime invenzioni dell’uomo primitivo). Se si pensa alle auto il rotolamento delle ruote è evidente ma non si fa caso al diametro delle ruote (più cresce e più si diminuisce l’attrito) e, soprattutto, non si fa caso al fatto che si è lavorato e con grande successo ad eliminare l’attrito radente che era presente nell’innesto della ruota al suo asse. I cuscinetti a sfera (o a cilindri o a rulli conici), presenti non solo qui ma in ogni altra situazione simile, hanno proprio questo compito, il trasformare quell’attrito da radente in volvente.

Nell’ordine sono rappresentati: cuscinetto a sfera, cuscinetto a cilindri, cuscinetto a rulli conici. Il principio è il medesimo: il cilindro centrale è fissato all’asse di una ruota di modo che il movimento della ruota è assicurato dall’attrito volvente dei cuscinetti.

          Quindi l’attrito a volte va ridotto, a volte serve, a volte è un ostacolo, dipendendo dalle situazioni che si presentano. Se pensiamo ai freni di un’auto o solo a quelli di una bicicletta, lì vogliamo che l’attrito sia ben presente (anche qui però con attenzione: se al frenare la ruota si bloccasse istantaneamente si avrebbero brutte conseguenze per i passeggeri. Da qui l’introduzione di tecniche che rendono progressiva la frenata). Ancora riferendosi all’auto, a volte serve che le ruote acquistino un poco di attrito radente quando, ad esempio, debbono rotolare sulla neve o sul ghiaccio e si usano le catene. In una nave, mentre la carena deve fare il minor attrito possibile con l’acqua, l’elica deve avere il massimo contatto possibile con essa e per questo deve essere costruita di grandi dimensioni (analogo è il caso di un aereo con l’elica che deve avvitarsi nell’aria). Anche in un caso molto più banale, lo strofinare un fiammifero su una superficie, serve che si abbia un buon attrito al fine che ci siamo proposti: accendere il fiammifero. In altri casi, quando i corpi debbono muoversi l’uno rispetto all’altro, la presenza delle forze di attrito è contraria a ciò che si desidera. Si cerca allora di ridurle il più possibile, per esempio mediante l’uso di lubrificanti. A tale proposito una sola osservazione: pensiamo al pistone di un motore che deve scorrere nel cilindro. Il lubrificante è situato   in una scatola posta in basso e sale, per la pressione che il calore sviluppa, dietro il pistone che sale (per poi scendere con il pistone). Il lubrificante gioca un ruolo fondamentale perché se il pistone fosse direttamente a contatto con il cilindro, anche a seguito del riscaldamento provocato dall’attrito, vi sarebbe l’incastrarsi del pistone nel cilindro (si chiama grippaggio). Quindi il pistone deve essere costruito con un diametro leggermente inferiore a quello del cilindro. Ma se tutto si riducesse a questo, vi sarebbe comunque uno sfiato ed un salire del lubrificante nella parte superiore del pistone dove brucerebbe (è il fumo nero che esce da un motore quando “è fuso”). La soluzione è quella di avere attrito tra pistone e cilindro ma solo su piccolissime superfici (per di più elastiche) mediante due anelli di acciaio sistemati intorno al pistone (fasce elastiche). Questi anelli permettono al lubrificante di salire nel cilindro ma fino ad esse. Successivamente, sono ancora le fasce elastiche a riportare il lubrificante verso il basso.

Nelle figure: Le tre linee nere sul pistone sono le fasce elastiche, le uniche superfici in acciaio che esercitano attrito sul cilindro. Nella zona bianca in basso vi è il lubrificante che, sotto pressione, sale fino al livello delle fasce elastiche. Notare quella specie di seghettatura sui bordi del cilindro. Si tratta delle alette di raffreddamento ad aria di alcuni motori (si veda la prima delle due foto seguenti). La seconda e terza foto mostrano invece in modo più dettagliato quanto mostrato nella prima figura. La figura seguente fornisce invece le temperature sviluppate in diverse zone del cilindro-pistone.

         E’ anche vantaggioso sostituire, ove possibile, a corpi che strisciano uno sull’altro, come già detto, corpi che rotolano. In caso di semplice rotolamento (quando le deformazioni dei corpi che rotolano, per esempio ruote su un piano, sono piccole) le forze di attrito di rotolamento che si destano a causa delle deformazioni dei corpi sono molto minori di quelle d’attrito di scorrimento. Insomma l’attrito è una forza che si può e deve usare o no per ciò che serve.

          Prima di passare ad altro argomento vorrei che vi soffermaste sull’ultima figura. Notate che vi sono due forze parallele tra loro, con medesima direzione ed opposte in verso. Ebbene ogni volta che si hanno situazioni del genere si hanno moti rotatori.

          Per discutere dell’altro argomento annunciato nel titolo del paragrafo, il calore, è ancora utile l’attrito. Dico un banalità quando ricordo che, quando fa freddo, ci freghiamo le mani. Ebbene quello sfregamento, quell’attrito, riscalda le mani. Se ci soffermiamo a pensare scopriamo subito che ogni volta che si ha uno sfregamento si ha sviluppo di caldo, cioè di calore. Sappiamo intuitivamente ed empiricamente di cosa parliamo quando diciamo calore ma è molto complesso capire di cosa si tratta tanto è vero che, come con l’attrito, è stato necessario arrivare ai primi dell’Ottocento per avere le prime teorie attendibili(2).

IL CALORE ED IL MOVIMENTO

Sul finire del Settecento, la teoria del calore che andava per la maggiore era quella del calorico. E’ sempre facile sorridere di una teoria del passato mostratasi non rispondente ai fatti (in qualche modo una sovrapposizione tra la precedente teoria del flogisto). All’epoca il calore era ritenuto una sostanza fluida, il calorico, in grado di penetrare nei corpi. In tal caso il corpo aumentava di volume perché era entrata dell’altra sostanza ed in più si scaldava proprio perché vi era entrato del calorico. Viceversa con il raffreddare: del calorico era uscito dalla sostanza con la conseguente diminuzione di volume della medesima. Il calorico veniva trattato come un fluido nel fenomeno dei vasi comunicanti. Un’esplosione, ad esempio, era pensata come un evento liberatore di calorico, in quanto da essa si produceva molto calore. Insomma, tutti i fatti noti entravano in questa spiegazione e non si sentiva la necessità di una teoria alternativa. Ci volle l’acutezza delle osservazioni dello strano ed eclettico scienziato americano Benjamin Thompson (1753 – 1814), per i suoi meriti scientifici fatto Conte Rumford, ad indirizzare nel senso giusto la comprensione del fenomeno. Tra le molteplici cose che Rumford fece nella sua vita (stufe e camini, cucine militari, …), muovendosi dall’America all’Europa, si occupò anche della fabbricazione di cannoni per il Duca di Baviera. Egli aveva notato un qualcosa di straordinario: un cannone che sparava con la palla in canna risultava, dopo l’esplosione, meno caldo di un cannone che sparava a salve. Cosa accadeva? La cosa sembrava incomprensibile e comunque non in accordo con la teoria del calorico. Sembrava che quando non c’era la palla il calore poteva espandersi più liberamente a velocità maggiore con la conseguenza di un maggior riscaldamento della canna del cannone medesimo. Questa rima esperienza rese Rumford insoddisfatto della teoria del calorico e lo spinse ad interessarsi con maggiore attenzione ed interesse alla natura del calore. Fu fortunato perché il suo incarico alle dipendenze dell’elettore di Baviera lo portò ad occuparsi dell’artiglieria ed in particolare dell’alesatura dei cannoni. Fino ad allora i cannoni erano costruiti mediante fasce di legno assemblate in modo che all’interno vi fosse un cilindro nel quale scorreva il proiettile che si voleva scagliare. Dopo un qualche sparo, la bocca del cannone si apriva come una buccia di banana. Si pensò allora di costruire la bocca del cannone con un unico pezzo realizzato mediante un monoblocco cilindrico di ottone scavato al suo interno con un tornio in modo che da ottenere un canale cilindrico dove scorresse il proiettile. Scriveva Rumford (1798):

Succede spesso che negli affari e nelle questioni ordinarie della vita si presenti l’occasione di contemplare alcune delle operazioni più curiose della natura, e spesso si possono eseguire interessantissimi esperimenti di filosofia senza difficoltà o spese, per mezzo di congegni inventati per gli scopi meramente meccanici delle arti e dei mestieri … Essendo recentemente impegnato nella supervisione dell’alesatura dei cannoni nei laboratori dell’arsenale militare di Monaco, fui colpito dall’abbondantissimo calore che un cannone di ottone acquistava nel breve tempo in cui veniva alesato, e dal calore ancora più intenso … dei trucioli metallici portati via dall’alesatura. Quanto più meditavo su questi fenomeni, tanto più mi apparivano curiosi e interessanti. Un indagine approfondita su di essi sembrava addirittura dare buone speranze di capire meglio la natura nascosta del calore per permetterci di formulare qualche congettura plausibile sull’esistenza o non esistenza del fluido igneo [il calorico, ndr]; un argomento su cui le opinioni dei filosofi sono state sempre molto discordi.

Non vi è alcuna scoperta ma vi è la curiosità, la voglia di capire indipendentemente da interessi economici (per queste osservazioni il suo salario non aumentava!). La voglia di capire spinse Rumford ad altre osservazioni che forzavano i fenomeni che si producevano nel suo lavoro. Egli immerse il cilindro d’ottone, che veniva forato dal tornio, in acqua in modo da misurare la sua temperatura. L’acqua andava prestissimo in ebollizione perché assorbiva il calore che si produceva dal violentissimo attrito del tornio dentro il cilindro di ottone. Rumford, pur con molti dubbi, osservava:

Meditando sui risultati di tutti questi esperimenti, siamo naturalmente portati a porci quel grande problema che così spesso è stato oggetto di riflessione tra i filosofi; cioè: Che cosa è il calore? C’è qualcosa di simile a un fluido igneo [il calorico, ndr]? C’è qualcosa che si possa chiamare in modo appropriato calorico? Abbiamo visto che una quantità considerevolissima di calore può essere suscitata dall’attrito fra due superfici metalliche ed emessa in una corrente continua o flusso in tutte le direzioni, senza interruzione o pausa, e senza segno alcuno di diminuzione o esaurimento.

Da dove viene il calore che era continuamente ceduto in questo modo nell’esperimento precedente? È stato fornito dalle piccole particelle metalliche [i trucioli di cui prima, ndr], staccatesi dalle masse solide più grandi, perché venivano strusciate una contro l’altra? Come abbiamo visto finora probabilmente non è così.

È stato fornito dall’aria? È impossibile, perché in tre esperimenti il macchinario era immerso nell’acqua e quindi all’aria dell’atmosfera era completamente impedito l’accesso.

È stato fornito dall’acqua che circondava il macchinario? Evidentemente no, primo, perché l’acqua riceveva continuamente calore dal macchinario e non poteva contemporaneamente dare calore a un corpo e riceverne da questo stesso corpo; e, secondo, perché non c’è stata scomposizione chimica di alcuna parte di quest’acqua.

[…]

È possibile che il calore sia stato fornito per mezzo della sbarra di ferro all’estremità della quale era fissato l’alesatore di acciaio, o dal piccolo collo di bronzo duro per mezzo del quale il cilindro cavo era unito al cannone? Queste supposizioni sembrano perfino più improbabili delle precedenti, perché il calore uscì continuamente dal macchinario da entrambi i passaggi durante tutta la durata dell’esperimento.

E ragionando su questo soggetto non dobbiamo dimenticare di considerare la circostanza più degna di nota: la sorgente del calore generato per attrito in questi esperimenti appariva evidentemente inesauribile.

Non occorre aggiungere che qualunque cosa possa essere fornita senza limite a un qualsiasi corpo o sistema di corpi isolato non può assolutamente essere una sostanza materiale, e mi sembra estremamente difficile, se non addiritturaimpossibile, formarmi delle idee precise su qualcosa capace di essere eccitata e comunicata nel modo in cui il calore era eccitato e comunicato in questi esperimenti se non il MOTO.

Sono ben lungi dal pretendere di sapere come o con quali mezzi o espedienti meccanici viene eccitato, mantenuto e propagato nei corpi questo particolare tipo di moto che si è supposto costituisca il calore, e non mi prenderò la libertà di turbare il [lettore] con mere congetture, in particolare su un soggetto che, per tanti millenni, i filosofi più illuminati hanno cercato, ma invano, di comprendere.

Ma, sebbene il meccanismo del calore possa essere effettivamente uno di quei misteri della natura che sono al di là della capacità di comprensione dell’intelligenza umana, questo non dovrebbe assolutamente scoraggiarci e nemmeno diminuire il nostro fervore nei tentativi di indagine sulle leggi del suo funzionamento.

Fin dove possiamo arrivare in una qualsiasi delle vie che la scienza ci ha aperto davanti prima di essere avvolti nella fitta nebbia che da ogni parte chiude l’orizzonte dell’intelletto umano? Fin dove il campo che ci è dato esplorare offre problemi ed interessi.

Al di là di ogni altro commento, resta questo discorso una specie di monumento al modo di operare di uno scienziato. E non serve che uno scienziato faccia la scoperta clamorosa che piace ai miseri divulgatori. Non serve esaltare un Einstein dimenticando i contributi delle decine di scienziati, magari oscuri, che lo hanno accompagnato alle sue scoperte. Insomma, con tutte le cautele che sono all’interno di quanto ha detto Rumford, una cosa risulta molto chiara: io, nel forare il cilindro di ottone, non ho fornito altro che moto e quindi questo moto deve essere responsabile del forte aumento di temperatura, inoltre il calore non può essere un qualcosa di materiale perché, se esso è una sostanza deve avere un peso e quindi deve poter essere rilevato. E’ la chiave della risoluzione del problema. A partire dagli esperimenti di Rumford e dai suoi dati, occorreranno i lavori di Sadi Carnot e di Joule (circa 1850) per trovare un nesso quantitativo tra calore e movimento (cioè lavoro). La cosa fu fatta proprio da Joule che trovò, con i dati di Rumford, un equivalente meccanico del calore (la costante che noi conosciamo come J) pari a circa 5,5 joule/caloria (oggi sappiamo che J vale circa 4,18 joule/caloria).

          Insomma il calore è la stessa cosa del movimento prodotto da una forza (il lavoro), anzi è addirittura una grandezza che ci portiamo dietro perché storicamente saltata fuori. Basterebbe solo il concetto di lavoro per definire il calore (più oltre vedremo la corretta definizione di calore in relazione al lavoro). Ne siamo certi? O dobbiamo tener conto di qualche asimmetria? Purtroppo sì, vi sono delle gravi difficoltà sulle relazioni tra lavoro e calore e viceversa che provo ad accennare. Se con un martello colpisco una lastra di acciaio ripetutamente, applico una forza sul martello che lo fa muovere e quindi faccio un lavoro, scopro che sia martello che lastra di acciaio si sono scaldati. Ciò è in accordo con quanto detto: il calore è prodotto dal lavoro. Adesso provo a scaldare il martello e la lastra d’acciaio per vedere se si origina lavoro, se cioè il martello o la lastra si muovono. Niente, niente da fare. Il calore non produce lavoro! Che succede? Cosa accade? Perché non ho un fenomeno simmetrico? Qui il discorso è insieme lungo ed affascinante ed occorre partire da lontano.

CALORE, LAVORO, ENERGIA, ENTROPIA

          Con Rumford eravamo arrivati a scoprire che il movimento e quindi il lavoro produce calore e che in qualche modo vi è un’equivalenza tra i due. Abbiamo anche detto che l’uguaglianza vale solo nel senso di lavoro uguale calore e non nel senso calore uguale lavoro. Cerchiamo di capire a partire dalla definizione (molto semplificata) di lavoro. Ogni volta che una forza origina uno spostamento (salvo casi particolari), si è fatto del lavoro (L). Non tocco qui argomenti che riguardano le varie possibili direzioni e versi di forze e spostamenti è un argomento complesso ed importante che lascio alla vostra curiosità. Nell’esempio visto del martello su una lastra d’acciaio, il muovere il martello significa applicare più volte una forza che origina lo spostamento del martello. In breve facciamo del lavoro che trasformiamo in calore. Non è che questa cosa ci faccia felici perché sembrerebbe un lavoro sprecato. Qui l’esempio è fatto per rendere evidente un fenomeno. Facciamo invece un esempio ordinario: fare un buco nel muro con un trapano non elettrico ma manuale (questo trapano può essere anche quello elettrico ma quello manuale fa capire meglio, per ora). Ruotare la manovella del trapano significa esercitare una forza che provoca lo spostamento della punta del trapano nella parete, quindi si fa del lavoro meccanico (grandezza nota anche con il nome di energia). Lo stiamo facendo perché ci serve fare quel buco nella parete. Finito di fare il buco ci ritroviamo con una cosa in più che non ci interessava, non ci interessa, ma ci segue sempre senza possibilità di eliminarla: lo sviluppo di calore (se tocchiamo la punta del trapano, addirittura ci scottiamo). Quel buco lo facevamo non per sviluppare calore ma del calore si è sviluppato. E’ una parte del lavoro fatto che è diventato calore. Quindi nel bilancio dell’operazione “buco nella parete” dovrò scrivere: “lavoro fatto = buco nella parete + calore sviluppato”. Ora pensate a qualsiasi altra operazione e vi accorgerete che, a lato della cosa che volete realizzare facendo del lavoro, otterrete sempre del calore che si sviluppa, anche se non lo volete. Se andate in automobile, il vostro fine è andare dal posto A al posto B, facendo il lavoro dei meccanismi dell’auto alimentati dalla benzina. Arrivati in B vi accorgete che il motore è rovente, vi accorgete cioè che per realizzare lo spostamento suddetto dovete pagare un dazio salato che è tutto quel calore buttato nell’aria (anticipo qualcosa ma, dovete sapere che rispetto a ciò che date in termini di lavoro, l’auto vi ridà solo il 10%, il resto va necessariamente sprecato). In definitiva, intorno al 1850, ad opera del fisico tedesco Helmholtz, si capì con completezza l’insieme dei problemi che stavano dietro le trasformazioni di lavoro in calore e viceversa. Si trattava della scoperta del Principio di conservazione dell’energia (noto anche come Primo principio della termodinamica). Se solo si pensa che ci troviamo a ben 150 anni dalla formulazione della meccanica di Newton, ci si rende conto della grande difficoltà che il problema comportava. Alla meccanica newtoniana erano estranei i concetti di lavoro ed energia, concetti che invece diventeranno “tecnologicamente” molto importanti proprio negli anni in cui era in pieno sviluppo la seconda rivoluzione industriale. L’introduzione nei processi produttivi di una grande quantità di ritrovati tecnici poneva interrogativi sempre più pressanti, non ci si poteva più accontentare di quanto sostenuto da Newton: ogni perdita di “movimento” che si ha nell’Universo viene reintegrata da Dio. Il Principio trovato sosteneva qualcosa che oggi sembra ovvia: se si fa il bilancio complessivo del lavoro fatto o energia impiegata e del calore sviluppato in qualunque forma in ogni processo si scopre che il bilancio è in pareggio.

          Rendiamo il discorso più preciso con l’introduzione di nuove grandezze che conosciamo anche se non le chiamiamo nel modo opportuno. Pensiamo ad un pendolo che solleviamo di un certo angolo. Lo manteniamo con la mano in questa posizione. Sappiamo che se togliamo la mano il pendolo inizia ad oscillare. Sappiamo cioè che la forza peso lo farà muovere. Sappiamo in definitiva che quel pendolo, se lasciato andare, è in grado di fare lavoro. Quando siamo in questa situazione si usa dire che ciò che è in grado di compiere lavoro (nel nostro caso il pendolo) è dotato di energia potenziale. Quando lasciamo andare il pendolo quell’energia potenziale si trasforma via via in energia di movimento o energia cinetica. Quest’ultima energia è in grado di riportare il pendolo alla medesima altezza da parte opposta e quindi a ridarci l’energia potenziale di cui disponevamo prima. Proprio alla stessa altezza? Non proprio, un poco meno. E che fine ha fatto la parte mancante? Un poco è andata a scaldare lo strofinio, anche se minimo, della cordicella nel suo punto di sospensione; un altro poco è andata ad urtare contro l’aria. Attriti, anche piccoli, rallentano il moto del pendolo e ciò vuol dire che quell’energia che manca nella risalita del pendolo è diventata, per attrito, calore. Ed è sempre così: in ogni processo naturale o provocato si ha sempre a che fare con delle energie che si trasformano tra loro con la ineliminabile comparsa di calore. Fin qui abbiamo messo in gioco energia meccanica e, a parte le trasformazioni desiderate, ci siamo imbattuti in un indesiderato calore. Proviamo a vedere cosa accade se mettiamo in gioco energia termica nell’ipotesi che essa si possa trasformare in energia meccanica. Qualche riga più su avevo detto che mentre un martello con il lavoro fatto da colpi successivi scalda una lastra d’acciaio, non è pensabile scaldare il martello e fargli fare del lavoro. Non era uno scherzo verbale, era semplicemente il riconoscimento che, per ottenere lavoro dal calore, servono macchine più complesse di un simil martello. Più su ho anche detto che gli studi sul calore si fecero in massima parte nell’’Ottocento, in concomitanza con l’enorme sviluppo industriale e la richiesta di energia che proveniva dalle fabbriche. Fino a quell’epoca si era fatto uso, in massima parte di energia meccanica, quella del vento (differenze di pressione), quella dell’acqua fluente, quella dell’acqua raccolta in un bacino (energia potenziale) e fatta cadere (energia cinetica) su un qualche macchinario da mettere in rotazione. Questa energia non bastava più. Ma seguiamo con un qualche ordine.

LE MACCHINE TERMICHE

          Le macchine termiche sono quegli strumenti che permettono la trasformazione di calore in lavoro meccanico. Si dispone di un dato combustibile che viene bruciato in questa macchina producendo grandi quantità di calore; l’energia liberata dalla combustione viene opportunamente trasformata in energia meccanica che è, essenzialmente, movimento. Nella pratica il calore prodotto da un combustibile che brucia, fa riscaldare l’acqua contenuta in una caldaia, acqua che scaldata va in pressione perché in recipiente chiuso. L’acqua va in ebollizione e produce vapore che, essendo in recipiente chiuso, arriva ad una alta pressione. A questo punto il vapore viene indirizzato a far muovere un pistone in un cilindro. Il movimento alternativo del pistone avviene attraverso un meccanismo che dirige opportunamente il getto di vapore (cassetto di distribuzione). Questo pistone è poi collegato ad altro meccanismo (biella-manovella) che trasforma il moto alternativo in rotatorio. Tutto questo in linea di principio. Vi sono poi le radicali modifiche introdotte empiricamente da Watt e con un discorso teorico da Sadi Carnot. Si tratta del condensatore separato, di un recipiente cioè che raccoglie il vapore che ha già fatto muovere il pistone, mantiene ancora dell’energia ma non sufficiente per far muovere ulteriormente un pistone. E fin qui Watt. Il miglioramento sostanziale del funzionamento della macchina con la modifica realizzata da Watt era stato indipendentemente capito da Sadi Carnot. Egli aveva capito che una macchina a vapore non può funzionare se non si creano i dislivelli di temperatura da cui era partito nelle sue prime intuizioni (l’analogia con le cadute d’acqua da una quota ad una più bassa su cui lavorava il padre, come vedremo più oltre). Nella figura seguente è riassunto il funzionamento di una macchina termica o a vapore.

Il focolare è la sorgente calda che fornisce il calore alla macchina, il condensatore è la sorgente fredda in cui si scarica del calore; il lavoro meccanico è realizzato dal moto alternativo del cilindro (alimentato dal cassetto di distribuzione) che trasforma il moto alternativo in rotatorio. Nel condensatore a temperatura ambiente arriva il vapore caldo ma già utilizzato che viene raffreddato e riportato allo stato liquido. A questo punto una pompa può riportarlo nella caldaia. Una macchina di questo tipo fu realizzata da Rankine (1859). Essa era ed è particolarmente utile ed utilizzata nelle locomotive a vapore. Ma quali erano le esigenze che premevano alla realizzazione di tali macchine?

PROBLEMI POSTI DALLE MINIERE. NOTA STORICA

La richiesta di sempre maggiore potenza (cioè di lavoro fatto nell’’unità di tempo), come diremmo oggi, imponeva la ricerca e l’approvvigionamento di energia oltre che di altre materie prime. L’energia dell’acqua fluente o in caduta e del vento non bastavano più. Si incrementò sempre di più l’attività estrattiva, soprattutto di carbone, da miniere scavate nel sottosuolo. Proprio sul finire del Seicento già si avevano miniere con profondità di 120 metri; nel 1750 tali profondità arrivarono a 190 metri. E le necessità oltre al desiderio di profitto, spingevano sempre più giù. Solo che più si scendeva più l’acqua inondava tutti i tunnel sotterranei impedendo il lavoro. La preoccupazione dei padroni delle miniere non era certo per gli operai (che lavoravano fino allo sfinimento tanto da iniziare ad organizzarsi prima in società di mutuo soccorso e quindi in organizzazioni sempre più importanti) ma per il fatto che, da un certo punto, la miniera non era più sfruttabile o non più economicamente sfruttabile. I sistemi di pompe azionate da cavalli richiedevano enormi investimenti (servivano centinaia di cavalli) e non erano efficienti ed affidabili. Proprio in questo periodo (inizi del Settecento) l’attenzione di molti (imprenditori, meccanici, inventori, tecnici, …) si concentra quindi sulle macchine termiche con la speranza che da esse derivi la soluzione ai molti problemi che si avevano. La nascente borghesia, soprattutto in Gran Bretagna, sbarazzatasi a partire dalla rivoluzione del 1640 dei vincoli feudatari ancora esistenti in altri Paesi, diventa particolarmente aggressiva e sviluppa la sua imprenditorialità praticamente senza concorrenza. E’ questa borghesia che può investire del denaro per veder crescere la produzione e questo denaro sarà alla base degli investimenti necessari per la realizzazione delle grandi macchine termiche che dai primi del Settecento inizieranno ad essere progettate e prodotte.

La concatenazione dei problemi e della risoluzione farà poi da moltiplicatore delle richieste di potenza, materie prime e macchine: risolti i problemi estrattivi, nascono quelli dei trasporti, della costruzione di strade, dell’inurbamento con le necessità di rifornimenti di acqua potabile e viveri, … Insomma sta iniziando la seconda rivoluzione industriale (se per prima si intende quella dell’artigianato del secolo precedente) che in meno di 200 anni cambierà non solo i rapporti sociali ma anche il volto del pianeta, del potere e degli assetti con la nascita di superpotenze coloniali che andranno a ricercare quelle materie prime in altri Paesi dopo averli sottoposti al loro dominio, sempre di rapina, e con l’esplosione di guerre feroci per la supremazia sui mercati mondiali.

Per risolvere il problema delle miniere e quelli che a catena si generarono, in molti si cimentarono nella fabbricazione di grandi macchine: Savery, Newcomen, Smeaton. Fu però James Watt, un meccanico e costruttore di strumenti di precisione dell’Università di Glasgow che occupava una officina nella medesima università, che riuscì a realizzare la macchina a vapore di maggior successo perché fabbricabile anche in piccoli formati ed a costi abbordabili anche da piccoli industriali o artigiani. Watt, studiando il funzionamento di una macchina di Newcomen aveva capito che il suo difetto, la causa dell’esaurimento repentino del vapore, nasceva dall’eccessivo raffreddamento del metallo del cilindro a seguito dell’immissione in esso dell’acqua ad ogni corsa dello stantuffo. Watt capì che per un miglior funzionamento della macchina sarebbe stato necessario che il cilindro fosse mantenuto sempre alla stessa temperatura del vapore e che l’acqua risultante dal vapore condensato tornasse ad una opportuna temperatura (non superiore ai 37,7 °C poiché Watt sapeva che a questa temperatura l’acqua, in un ambiente vuoto, inizia a bollire). Da qui discese l‘invenzione del condensatore separato dal cilindro, una delle più importanti scoperte al fine della definitiva affermazione delle macchine a vapore con i finanziamenti di Boulton e le acciaierie Wilkinson (tra il 1774 ed il 1788). Come con Watt, ogni altro perfezionamento delle machine fu realizzato empiricamente. Non vi erano teorie del calore e nessuno scienziato sapeva come entrare in argomento. Dalle problematiche poste dalle macchine a vapore nacque la scienza della termodinamica. Il primo scienziato che affrontò il problema delle macchine a vapore fu l’ingegnere francese, Sadi Carnot, figlio dell’altro ingegnere, Lazare, che lavorò con passione per la Rivoluzione Francese. Lazare aveva lavorato sulle macchine idrauliche, sull’energia prodotta dall’acqua in caduta e Sadi pensò che la stessa caduta d’acqua da una quota ad un’altra fosse assimilabile alla caduta del calore da una temperatura ad un’altra. Con questa idea guida Sadi sviluppò una teoria delle macchine che producono lavoro a partire dal calore. Il problema, anche se non esplicitato ma in completa sintonia con il mondo padronale, era quello di avere il massimo da un dato investimento, il massimo da un dato combustibile, il massimo rendimento. Sadi Carnot, già nel 1824, aveva capito e dimostrato che una macchina termica, anche se funzionante in modo ideale, ha sempre un rendimento inferiore al 100% poiché, per il funzionamento di una tale macchina, parte del calore deve necessariamente e letteralmente essere scaricato nell’ambiente esterno, un poco come aveva empiricamente realizzato Watt con il suo condensatore separato nel quale si scaricava il vapore che era andato a temperatura più bassa.

Quanto ho qui detto non deve far pensare a qualcosa di straordinario risetto alla nostra esperienza. L’auto di famiglia, come tutte le auto, le moto e tutti gli altri motori, funziona solo perché, come già detto, si arroventa il motore e vi è un tubo che scarica all’esterno i gas chiamati appunto di scarico ad alta temperatura. Questo calore gettato verso l’esterno è necessario affinché l’auto funzioni e, se non ci credete, fate uno scherzetto ad un vostro amico: prendete una patata e, con essa, otturate il tubo di scarico dell’auto (quando è freddo, altrimenti vi ustionate); l’auto non partirà. Ma vi è di più perché ogni motore ha un sistema di raffreddamento. Abbiamo visto le alette del motore da moto, quando la moto è in movimento l’aria passa tra le alette ed estrae il calore generato dal motore. Nelle automobili il raffreddamento è generalmente ad acqua: dell’acqua viene fatta circolare rapidamente mediante una pompa intorno al motore; quest’acqua si scalda rapidamente andando al radiatore dove l’aria estrae calore. Insomma, una gran quantità di calore deve essere gettata via perché il calore della sorgente possa diventare energia meccanica di movimento. Accenno solo al fatto che il raffreddamento delle centrali nucleari, se mancasse il quale si avrebbe un disastro immane, è fatto con interi fiumi d’acqua.

La scoperta di Sadi Carnot, della necessità di scaricare calore perché una macchina termica funzioni, è nota come Secondo principio della termodinamica ed è utile notare che il Secondo è arrivato prima del Primo principio che, ricorderete è dovuto ad Helmholtz ed è del 1847. Ma sul Secondo principio torneremo perché ha una rilevanza enorme che trascende i motivi che lo hanno fatto scoprire per ora osservo che il Secondo principio non nega il Primo nel senso che l’energia si conserva sempre. Occorre solo sapere che, nel bilancio, occorre mettere anche l’energia che deve essere gettata via sotto forma di calore a più bassa temperatura di quella necessaria a far funzionare la macchina termica. Quanto qui detto fa capire quanto dicevo qualche riga più su e che riprendo.

Alla base della non esatta comprensione del principio di conservazione dell’energia (solo meccanica) c’era la complicazione sorta in connessione agli studi sulle macchine a vapore. Questa difficoltà derivava dal fatto che vi è un qualche cosa di asimmetrico nella trasformazione dell’energia: mentre tutta l’energia meccanica può trasformarsi in calore senza alcun residuo (martello su lastra di acciaio), l’opposto non si verifica mai; così quando si fornisce del calore ad una macchina a vapore, solo una parte di questa energia può essere impiegata per far girare l’albero ed un residuo inevitabile deve essere scaricato sotto forma di calore perduto nel condensatore della macchina.

Vi è un’altra lettura del Secondo principio: il calore passa dai corpi caldi a quelli freddi e una macchina termica non funziona se non dispone di due sorgenti a diverse temperature. Anche questa lettura però non ci aiuta a capire l’origine dell’asimmetria: semplicemente si prende atto di un dato dell’esperienza. Occorre un punto di vista completamente diverso per iniziare a capire qualcosa e ad esso ci introdusse Clausius (con vari contributi di Maxwell, Boltzmann, Kelvin, …). Per la comprensione completa di cosa accade nelle trasformazioni di lavoro in calore occorre passare da un punto di vista macroscopico ad uno microscopico. Occorre cioè passare a considerare la costituzione della materia, al suo essere un insieme di atomi e molecole in continuo movimento (teoria cinetico molecolare). Nelle trasformazioni del calore in altre forme di energia Clausius ebbe cura di distinguere tra la frazione di calore che può apparire sotto forma di energia meccanica e quella che deve essere scartata come calore perso. La frazione di calore che si trasforma in energia meccanica la chiamò energia libera, mentre chiamò entropia la frazione di calore che non si trasforma e che pertanto risulta persa (rimanendo nel sistema a temperatura più bassa).

L’ENTROPIA

          Capire cos’è entropia è capire il 2° principio (e non solo, come vedremo). Per far ciò occorre rifarsi al punto di vista microscopico andando a vedere cosa succede ai singoli atomi che costituiscono un dato sistema termodinamico quando si effettua una trasformazione di lavoro in calore e viceversa.

         Consideriamo due esempi: l’energia meccanica di un proiettile che, andando quest’ultimo ad urtare su di una lastra d’acciaio, diventa calore e l’energia meccanica delle ruote di un treno che, quando vengono frenate, si riscaldano. Seguiamo con le figure 1 e 2 (fortemente esagerate) il comportamento degli atomi dei due sistemi prima che essi vadano ad urtare o frenare (quando hanno solo energia meccanica) e subito dopo l’urto o frenata (quando hanno solo energia termica). Risulta evidente che, fintantoché c’è energia di movimento, tutti gli atomi seguono ordinatamente quel movimento; quando il movimento cessa e si trasforma in calore, tutti gli atomi si muovono disordinatamente in tutte le direzioni (si noti che il fenomeno interessa anche la lastra d’acciaio e la rotaia e, più in generale, ogni volta che si produce un dato fenomeno naturale esso è sempre accompagnato dal riscaldamento di tutti gli oggetti interessati al fenomeno). Se ora pensassimo di scaldare e il proiettile schiacciato e la ruota frenata, cosa vi aspettereste ? 

                                                         Figura1                                                                  

Figura 2

A questo punto non è più possibile pensare che il proiettile si rimetta in marcia all’indietro e neanche che la ruota si rimetta a camminare. Qual è l’effetto del riscaldamento, allora, degli oggetti di figura 1 e 2? Riscaldare significa fornire energia cinetica (movimento) ai singoli atomi e pertanto questi ultimi si muoveranno con maggiore velocità in tutte le direzioni e, se possibile, più disordinatamente.

       Facciamo un esempio macroscopico per capire meglio questo aspetto. Supponiamo di avere una tazza con dentro un mucchietto di zucchero a destra ed un mucchietto di cacao a sinistra. Prendiamo un cucchiaino e giriamo cinquanta volte in verso orario dentro la tazza (avendo cura di muovere il cucchiaino piano piano e sempre radente al bordo della tazza). Che cosa abbiamo ottenuto? Un miscuglio omogeneo di zucchero e cacao.

       Prendiamo ora questo miscuglio ed operiamo su di esso in modo esattamente inverso: giriamo il cucchiaino cinquanta volte in verso antiorario dentro la tazza (avendo cura di muoverlo piano piano e sempre radente al bordo della tazza). Che cosa abbiamo ottenuto? Se qualcuno si aspettava un mucchietto di zucchero a destra ed uno di cacao a sinistra si sbaglia: quello che abbiamo è, se possibile, un miscuglio ancora più omogeneo.

        Quanto stiamo dicendo può essere semplicemente spiegato ricorrendo ai concetti di reversibilità ed irreversibilità.         

        Le trasformazioni che abbiamo preso in considerazione sono tipiche trasformazioni irreversibili ed i tentativi che noi facevamo per ricostruire la situazione precedente partivano dal presupposto, che esse, invece, fossero reversibili. Una trasformazione è reversibile quando essa si svolge in modo tale che, alla fine del processo, sia il sistema sia tutto ciò che ha avuto relazione con esso durante la trasformazione possono essere riportati alle condizioni iniziali, senza modificare nulla in tutto il resto dell’universo (una trasformazione è reversibile solo nelle discussioni teoriche). Ci vuol poco a convincersi che in natura non esistono trasformazioni reversibili e cioè che la natura, ci offre solo trasformazioni irreversibili. Si può certamente lavorare in modo da avvicinarci sempre di più alla reversibilità, ma nella convinzione che una trasformazione reversibile non esiste. E noi umani è inutile che insistiamo nel sogno dell’immortalità e del ritornare giovani: la fisica ha capito che è impossibile in natura ma rivolgendosi altrove, a metafisica e religioni, si può fare tutto.

        Solo quella parte della fisica che va sotto il nome di “Meccanica” offre una quantità di situazioni reversibili, ma tutte frutto di notevoli astrazioni ed ipotesi impossibili nella realtà: ‘supponiamo che non vi sia attrito‘; ‘supponiamo di avere una massa puntiforme‘; ‘supponiamo di avere una molla senza peso‘; ‘un filo inestensibile‘; ‘un urto perfettamente elastico‘; … Per questo motivo la meccanica ci offre un mondo fantastico: le sue leggi sono simmetriche rispetto al tempo. In esse si può sostituire, in luogo del tempo t, il valore del tempo rovesciato – t e tutto funziona regolarmente alla rovescia. Tutto è cioè reversibile perché, per la determinazione del moto di un corpo, la meccanica richiede solo che siano dati la sua posizione e la sua velocità. Pertanto, da un punto di vista meccanico, avere 1’universo è avere un numero enorme di atomi ciascuno con la sua posizione e velocità. Elaborando matematicamente l’insieme di queste variabili si potrebbe, teoricamente conoscere qual è il futuro del1’universo e, cosa clamorosa, dal fatto che al posto del tempo t posso mettere il tempo – t, si potrebbe ricostruire tutto il passato dell’universo fino alle origini. In fondo si tratterebbe solo di studiare una quantità di urti tra atomi per stabilire dove si trovavano ad un dato istante (!). E proprio queste considerazioni fece Laplace agli inizi dell’800 (quando la termodinamica ancora non esisteva). Egli infatti sostenne, nel suo “Saggio filosofico sulla probabilità” (1814): 

Dobbiamo dunque considerare lo stato presente dell’universo come l’effetto del suo stato anteriore e come la causa del suo stato futuro. Un’Intelligenza che, per un dato istante, conoscesse tutte le forze da cui è animata la natura e la situazione rispettiva degli esseri che la compongono … abbraccerebbe nella stessa formula i movimenti dei più grandi corpi dell’universo e dell’atomo più leggero; nulla sarebbe incerto per essa e l’avvenire, come il passato, sarebbe presente ai suoi occhi “.

Ma poiché questa Intelligenza non c’è, conclude Laplace, occorre far ricorso alla “probabilità” che ci permette di descrivere in modo più semplice il comportamento di una moltitudine di oggetti.

        Tornando alla reversibilità (prima di vedere come anche noi dovremo far ricorso alla probabilità) certamente avrete visto più volte dei filmati proiettati a marcia indietro. Il film che illustra un fenomeno meccanico lo si può vedere in un verso od in senso inverso senza accorgersene o, comunque, senza che la cosa ci risulti strana o ridicola. In altri fenomeni, invece, e sono praticamente la totalità, vedere proiettato un filmato alla rovescia certamente ci lascerebbe interdetti o, quantomeno, ci farebbe ridere.               

        Se pensiamo all’urto di due palle da biliardo (o all’oscillazione di un pendolo) e quindi immaginiamo il fenomeno avvenire alla rovescia, tutto torna e la cosa ci funziona.

        Pensiamo invece ad una bottiglia che cade da un tavolo. Essa va giù e, toccando il suolo si rompe in molti pezzi. Proviamo a vedere la scena alla rovescia. Niente da fare, non riusciamo a pensare a tanti pezzi di vetro che si rimettono insieme rifacendo una bottiglia (!); e che quindi la bottiglia ricostruita parta dal suolo, con grande slancio, per andarsi a posare delicatamente sul tavolo.

       Mentre nel primo caso, ad un’osservazione superficiale o parziale, non è possibile stabilire un ordine tra gli avvenimenti, nel secondo caso c’è un ordine ben preciso: gli eventi si svolgono in un ordine determinato. E questo è valido per tutti i fenomeni naturali (se si pensa bene anche per le palle da biliardo o per un pendolo c’è un ordine di tempo: se guardiamo con attenzione tutto il film possiamo osservare che le palle prima hanno grandi velocità e poi sempre più piccole, finché tutto si ferma. E, in ogni evento naturale, c’è sempre un prima ed un dopo).  

       E’ interessante scoprire che le cose, in natura, vanno come il tempo: tutte in un verso.

       Ma è possibile scoprire qual è questo verso?

       Supponiamo di avere due pentole d’acqua a temperature differenti. Mescoliamo l’acqua. La situazione finale è che   il miscuglio d’acqua, spontaneamente, si porta ad una temperatura intermedia tra le due iniziali.

       Supponiamo di avere un recipiente diviso in due settori, messi in comunicazione da un piccolo foro fornito di tappo. All’inizio del processo uno dei due settori sia pieno d’aria e nell’altro sia stato fatto il vuoto. Se togliamo il tappo l’aria spontaneamente diffonderà nel settore vuoto di modo che, alla fine del processo, essa sarà ugualmente distribuita nei due settori.

       Supponiamo di avere un corpo caldo ed un corpo freddo. Mettendoli in contatto, per il sistema formato dai due corpi, troveremo una temperatura intermedia: spontaneamente del calore si è trasferito dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa.

       A ben guardare, soprattutto quest’ultimo esempio, ci fa intendere che stiamo parlando del 2° principio della termodinamica.

       C’è dunque una direziono verso cui gli avvenimenti tendono e, forse, proprio l’interpretazione microscopica del Secondo principio può aiutarci a capire qual è questa direzione.

       Un qualsiasi stato di un sistema è sempre caratterizzato dalla sua energia interna: i suoi atomi sono in moto a determinate velocità dipendenti solo dalla temperatura cui il sistema si trova (al crescere della temperatura cresce la velocità degli atomi). Abbiamo visto che i processi naturali comportano, alla fine, un riscaldamento di tutti gli oggetti appartenenti al sistema che subisce la trasformazione. Abbiamo anche detto che una situazione in cui si sviluppa calore comporta un disordine maggiore nel moto delle molecole. E poiché, in tutte le trasformazioni che avvengono in natura, in un modo o nell’altro, si sviluppa del calore, si può dire che: in tutte le trasformazioni naturali aumenta il disordine nel moto delle molecole del sistema che subisce la trasformazione.

       Per capire meglio occorre dare un significato più preciso alla parola disordine. Nella figura 3 è riportato un contenitore diviso in due parti da un setto mobile. In ciascuna parte in cui è diviso il recipiente vi sono molecole di un gas diverso. Se togliamo il setto divisorio le molecole si saranno spontaneamente mescolate come in figura 4. Si può certamente dire che la configurazione di figura 3 è più ordinata di quella di figura 4.

                     Figura 3   

                                                      

Figura 4

        D’altra parte, se pensiamo agli esempi fatti più su, anche il mescolare acqua calda e fredda comporta il passaggio da una situazione ordinata (acqua calda da una parte ed acqua fredda dall’altra) ad una disordinata (acqua mescolata); anche il mettere in comunicazione un contenitore pieno di gas con uno vuoto comporta il passaggio da una situazione ordinata ad una disordinata; anche la messa in contatto di un corpo caldo con uno freddo comporta la stessa cosa. A disordine si può dare il significato di stato più probabile. 

        Prima spieghiamo questa affermazione affidandoci al senso comune, passeremo poi a qualche definizione più precisa.

          In casa vostra, nella camera dei bambini, dov’è più probabile trovare una penna, un giocattolo, una spilla. Se rispondete “al loro posto” vuol dire che non avete bambini in casa. Lo stato più probabile è certamente il più disordinato. Ma non serve andare nella camera dei bambini, basta pensare ad una cucina o ad una qualunque stanza. Qualunque persona lavori in casa sa che il problema non sta nel mettere in disordine (fatto spontaneo), ma nel mettere in ordine (tant’è vero che, a volte, si paga qualcuno per farlo).

       Se prendete un mazzo di carte sistemato in un qualche cassetto di casa vostra (supposto che la casa sia ordinata!) qual è la probabilità di trovare tutte le ‘coppe‘ con le ‘coppe‘, le ‘denari‘ con le ‘denari‘, ecc., e di averle in fila (1,2,3,…) ? Credo si possa rispondere che ciò è quasi impossibile: le carte ‘preferiscono‘ sistemarsi nel modo più disordinato che è il più probabile. Ma – e qui arriviamo al nocciolo del problema – perché è più probabile che siano mescolate? Perché il mescolamento lo si può ottenere in un numero enorme di modi (prima il 7 di bastoni, poi il 3 di spade, quindi il 5 di denari, …; oppure: prima il 2 di coppe, poi il 9 di spade, quindi l’asso di bastoni, …; oppure: …; oppure: …; …), mentre l’ordine lo si può ottenere in un solo modo (1,2,3,… di coppe; 1,2,3,… di denari; 1,2, 3,… di spade; 1,2,3,… di bastoni).

       Per questo, lanciando una coppia di dadi, è più probabile che venga il 7; questo numero può essere ottenuto con un numero di combinazioni (l+6; 2+5; 3+4; 4+3; 5+2; 6+l) maggiore (6) di quello occorrente per qualunque altro numero (ed in particolare ottenere il 2 è tanto difficile quanto ottenere il 12; ambedue i numeri possono essere ottenuti in un solo modo). Sempre per lo stesso motivo, giocando la schedina, è più probabile fare l’otto od il nove che non lo zero (e, naturalmente, il 13).

       Allo stesso modo per gli atomi che costituiscono un sistema.

       Pensiamo ad un miscuglio di due gas in un recipiente; ci stupiremmo molto se, ad un dato istante, trovassimo tutte le molecole del gas 1 da una parte e quelle del gas 2 dall’altra. E se invece disponessimo di un solo gas in un recipiente diviso da un forellino in due zone A e B, ci parrebbe strano che questo gas si andasse a sistemare tutto in una zona (ad esempio la A). Si possono dare dei numeri relativi a quest’ultimo esempio.

Nella tabella è riportato: nella prima colonna, il numero ipotetico di molecole costituenti il gas; nella seconda colonna, la probabilità dello stato con tutte le molecole in A, nella terza colonna, la probabilità che le molecole siano distribuite uniformemente in A e B. Come si vede, al crescere delle molecole costituenti il nostro sistema, cresce enormemente la probabilità di distribuzione uniforme (mentre quella non uniforme rimane costante). Se si pensa che le molecole costituenti un gas non sono 100, ma dell’ordine di 1023, un 10 con altri 23 zeri (numero di Avogadro), ci si può, almeno lontanamente, rendere conto di quale numero, in questo caso, dovrebbe comparire nella terza colonna.

        Pensiamo ora ad un altro esempio che ci fa intendere alcune delle cose dette a proposito delle figure 1 e 2.

        Supponiamo che, ad un dato istante, gli atomi che costituiscono un sasso ‘decidessero‘, tutti, di dirigere le loro velocità in un verso determinato. Il fatto che tutti gli atomi dirigano le loro velocità in un solo verso comporta che la somma di queste singole velocità atomiche è un’unica velocità del sasso nello stesso verso di quello degli atomi. Se questo accadesse noi potremmo tranquillamente passare i pomeriggi, seduti su una panchina del parco a vedere saltellare i sassi. No, le cose non vanno così. Per orientare tutte le velocità degli atomi in un unico verso ci vuole un intervento esterno, ci vuole del lavoro fatto dall’esterno (si pensi che in un solo pezzettino di sasso vi sono ancora quei 1023 atomi !!).

       Su queste esemplificazioni si potrebbe proseguire all’infinito, ma ora ci fermiamo per ricapitolare un poco e, soprattutto, per cercare di rispondere a quella domanda, lasciata in sospeso, sulla ‘direzione dei processi naturali‘.

       Abbiamo visto che: in natura si tende allo stato più probabile (quello che si può ottenere microscopicamente nel maggior numero di modi); lo stato più probabile è quello più disordinato. Se mettiamo insieme questi due risultati con gli altri che avevamo trovato, e secondo i quali in tutti i processi naturali parte dell’energia in gioco si trasforma in calore (2° principio della termodinamica) scopriamo che: in qualunque forma si abbia dell’energia, essa, in natura, tende a trasformarsi in calore poiché questa è una situazione cui compete maggiore disordine ed è quindi più probabile (quando dell’energia passa da altre forme a quella termica si usa dire che essa si è degradata). Quanto detto ci fa comprendere il perché l’irreversibilità presiede i processi naturali: una trasformazione di un sistema comporta sempre un grado maggiore di disordine degli atomi che lo costituiscono; la trasformazione inversa prevedrebbe il passaggio da uno stato disordinato ad uno più ordinato che, come sappiamo, è molto improbabile.

      Il calore è quindi energia disordinata, mentre le altre forme di energia sono energie ordinate. In natura sono favoriti i passaggi più probabili quelli, cioè, da energie ordinate ad energie disordinate. Per questo tutto tende ad “andare in calore” ed è estremamente improbabile che del calore vada spontaneamente in energia meccanica.

       Se così fosse sarebbe allora possibile che le molecole del mare si organizzassero in modo da trasformare la loro energia cinetica disordinata nell’energia meccanica ordinata che permetterebbe a tutte le navi di marciare gratis all’infinito (si osservi che l’energia che si può prelevare da1 mare è proprio quella delle situazioni più ordinate possibili: correnti, maree, differenze di temperatura tra strati superficiali e profondi, …).

       Possiamo a questo punto trarre una prima conclusione: entropia è sinonimo di disordine (questo modo di vedere il problema fu introdotto da Helmholtz nel 1882). In natura hanno luogo i processi più probabili, quelli in cui si sviluppa calore, quelli in cui il disordine aumenta, quelli in cui l’entropia aumenta. In questo modo di vedere, i sistemi ordinati sono quelli a bassa entropia, mentre quelli disordinati sono quelli ad alta entropia: in natura si preferiscono le trasformazioni da bassa ad alta entropia, tutte quelle in cui l’entropia dello stato finale è maggiore di quella dello stato iniziale, tutte quelle in cui l’entropia aumenta. E proprio quest’ultimo è un altro modo di enunciare il Secondo principio della termodinamica: in un sistema isolato possono aver luogo solo quei processi in cui l’entropia aumenta e poiché quelli sono i soli processi possibili, facendo un bilancio tra tutti i possibili processi che avvengono nell’universo, si può anche dire che l’entropia dell’universo aumenta.     

       Che implicazioni ha quest’ultima affermazione? Dire che l’entropia dell’universo aumenta significa dire che il disordine dell’universo aumenta e, quindi, che tutti i processi che avvengono tendono a produrre calore il quale va, poco a poco, ad accumularsi in quell’immenso serbatoio che è l’universo. Quindi l’energia utilizzata e prodotta in qualunque parte di questo universo scarica in esso una parte di calore.

       In questo universo il lavoro si può realizzare per dislivelli di energia, di quote, pressioni, temperature, … . Col passare dei secoli i dislivelli vanno appiattendosi di modo che via via diventa sempre più difficile produrre lavoro. Il principio di conservazione dell’energia (il Primo principio) ne esce salvo: poiché il calore è energia, il bilancio è tale che l’energia dell’universo si conserva. Ma, e qui sta il punto, il calore che via via va producendosi è a bassa temperatura, è energia disordinata che tende ad una stessa bassa temperatura (non si intenda con questo necessariamente temperature centigrade negative!). Quando fossimo giunti alla situazione in cui tutto l’universo fosse pieno di questa energia, ma tutta alla stessa temperatura, non potremmo più fare lavoro. Sono infatti le differenze di energia, di quota, di temperatura, di …, che ci permettono di ottenere lavoro. Quando la temperatura, anche se elevatissima, fosse tutte, livellata non ci sarebbe neanche più modo di misurarla: il mercurio del termometro si rifiuterebbe di fare lavoro spostandosi dalla posizione in cui si trova in una più in alto o più in basso e quindi neanche più quel lavoro si potrebbe ottenere. Si tratta della “morte calda” dell’universo e, a meno di nuove scoperte sul comportamento di quest’ultimo, a tutt’oggi ci avviamo verso quella morte (non vi preoccupate ci vogliono ancora miliardi di anni e, nel frattempo, il Sole si sarà spento o, più semplicemente, una banale guerra atomica avrà cancellato questo insignificante punto nello spazio chiamato Terra).

       E’ proprio cosi, è un dato comune della nostra esperienza quotidiana. Mentre vediamo scorrere i fiumi verso il mare, mai abbiamo notato un ruscello che sale verso la montagna (senza che si faccia un lavoro dall’esterno); mentre vediamo i sassi rotolare giù da un pendio, mai abbiamo visto quanto illustrato in figura;

mentre vediamo auto che nell’urto si sfasciano, mai abbiamo visto auto malandate che, nell’urto, si rimettono a posto; mentre vediamo una bottiglia cadere e rompersi in mille pezzi, mai abbiamo visto mille pezzi mettersi insieme, formare una  bottiglia e andarsi a sistemare su una mensola;  mentre sappiamo che le bombe distruggono, mai abbiamo visto quanto illustrato in figura:

 E questo perché in natura si tende a situazioni che rendono minima l’energia annullandone le differenze (altrimenti non si comprenderebbe perché un sasso cade sempre, un fiume scende sempre, un fuoco scalda sempre, del calore si produce sempre, …).                                                          

       Ma, attenzione, la termodinamica è anche rispettosa degli stati d’animo: non scoraggia l’ottimismo. Infatti le leggi della termodinamica sono probabilistiche ed ognuna delle cose che prima abbiamo negato recisamente, in realtà la termodinamica non le esclude. Essa dice solo che certi fatti sono estremamente improbabili. Cosi se passando il tempo su quella panchina vedeste, un giorno, saltare un sasso, non preoccupatevi, è previsto! La termodinamica statistica ci permette anche di fare il conto della frequenza con cui può verificarsi un tale evento: uno ogni 1026 anni, al 10 occorre far seguire 26 zeri (!), basta un poco di pazienza ….

      Il concetto di entropia, soprattutto con la sua spiegazione microscopica, è certamente importante; ma lo è di più se si vanno a cogliere alcuni suoi sottili significati.

       Pensiamo al tempo: noi credevamo che fosse l’unica grandezza che avesse un verso determinato ed ora scopriamo che questo verso è, nel tempo, di tutti i fenomeni naturali. E cosi, quando si parla di prima e dopo (fatto che ci definisce il passare del tempo) si può, allo stesso modo ed univocamente, parlare di bottiglia sana – bottiglia rotta.

        Ma diciamo di più.  Quando parliamo, per comunicare con qualcuno, cerchiamo di farci capire (si pensi al problema che avevo di fronte nel momento in cui iniziavo a scrivere questo lavoro) e ‘farci capire‘ significa organizzare le parole, i gesti, i toni, l’espressione nel modo più ordinato possibile. Più avremo realizzato una situazione ordinata, più saremo stati in grado di farci capire. E’ facile allora comprendere come informazione ed entropia siano strettamente correlate: più informazione c’è nel mio messaggio, minore è la sua entropia (in questo senso, se avete capito quanto ho fin qui scritto, vuol dire che l’entropia di questo lavoro è bassa, vuol dire che è stato necessario fare una grande quantità di lavoro dall’esterno il quale ha comportato all’esterno, e cioè nella famiglia, nella stanza dove lavoro, nel mio lavoro, un tale aumento di entropia, e quindi di disordine, che il bilancio tra l’eventuale bassa entropia di questo lavoro e l’entropia che ho creato per farlo è, per il Secondo principio, a favore dell’aumento dell’entropia dell’universo). Si potrebbe forse capire in questo modo quanto i messaggi di certi organi di informazione e di certi politici siano ad alta entropia, direi enorme entropia.

        Ma non era solo per raccontare queste piccole cose che ho messo in relazione entropia ed informazione. Nella realtà questa correlazione è estremamente importante per comprendere la qualità, ad esempio, delle varie forme di energia nell’ipotesi che più bassa è 1’entropia di fonte energetica, maggiore è il contenuto di informazione che essa porta con sé (più essa è pregiata).

        Possiamo certamente dire che tra le varie forme di energia quella elettrica è la più pregiata mentre quella termica è la meno pregiata. Ma nell’ambito della stessa energia termica vi sono vari gradi di pregio, di qualità. Ad esempio, l’energia termica a più alta temperatura è molto più pregiata di quella a bassa temperatura proprio perché, a parità di calore scambiato, più alta è la temperatura più bassa è l’entropia. E quest’ultima cosa la si può vedere facilmente dalla definizione macroscopica di entropia:

                  S  =  ENTROPIA  = CALORE / TEMPERATURA = Q / T

In questa formula c’è scritto che l’entropia (S) è una quantità di calore (Q) ad una data temperatura (T). Più è grande la quantità di calore (a parità di temperatura), più è grande l’entropia; ma (a parità di quantità di calore) l’entropia diminuisce sempre di più quanto più aumenta la temperatura. E ciò vuol dire che il trasferimento di una data quantità di calore comporta meno entropia se avviene a temperatura più alta. Possiamo allora capire perché si hanno rendimenti maggiori quando le differenze di temperatura tra le due sorgenti (Carnot) sono maggiori; all’aumentare della temperatura della sorgente calda, diminuisce l’entropia associata a quel processo.

        In definitiva l’entropia ed il suo aumento rappresentano un fattore di merito delle trasformazioni termodinamiche e possono raccontarci la storia dell’energia che si sta trasformando. L’energia tende ad ‘invecchiare‘ e questo invecchiamento dipende dall’abbassamento di temperatura e dalla conseguente comparsa di calore: più la temperatura, a cui avviene lo scambio di calore, è bassa, più l’energia è invecchiata e più grande è l’entropia.

        Abbiamo detto che la tendenza generale della natura è verso un aumento dell’entropia dell’universo. Abbiamo anche detto che questo enunciato ha un carattere probabilistico. Accordiamo meglio le due cose anche per capirne altre che sembrerebbero sfuggire al principio di aumento di entropia e cioè di disordine (in pratica si tratta di capire il senso di quel “in un sistema isolato” che abbiamo letto nell’enunciato dell’aumento dell’entropia).

        Pensiamo a quanto avviene nella fecondazione. Degli spermatozoi molto ‘sparpagliati’ interagiscono con degli ovuli. Uno di questi spermatozoi si fa catturare da un ovulo. Comincia la moltiplicazione delle cellule. E poiché possiamo parlare di “uomo“, sappiamo che queste cellule si moltiplicano in modo ordinato tanto da riprodurre un qualcosa che riconosciamo come “uomo“. Si può anzi dire che una delle forme più alte di ordine che noi conosciamo è proprio la vita (le stesse cose si possono dire per una pianta). Ora, va osservato, che la nascita di una vita rappresenta la costruzione di un qualcosa di più ordinato rispetto al qualcosa che la precede, fatto che sembra violare il principio di aumento dell’entropia.

        La situazione può essere spiegata pensando al funzionamento di un frigorifero. Questa macchina ha la proprietà di raffreddare: le molecole degli oggetti che vi sono contenuti diminuiscono le loro velocità poiché diminuisce la temperatura; si passa quindi a situazioni più ordinate. Certo, se si prendesse in considerazione solo la cella frigorifera, avremmo ben ragione di buttare via il Secondo principio. Ma questo principio, come l’abbiamo noi enunciato, sottolineava che certi processi non avvengono spontaneamente, che cioè bisogna fornire del lavoro dall’esterno per ottenerli, ed inoltre, in altro luogo, esplicitamente diceva “in un sistema isolato“. Ebbene quanto avviene nel frigorifero non avviene spontaneamente proprio perché il sistema non è isolato. C’è un motore dietro, alimentato dalla rete elettrica, e questo motore crea molta più entropia nella cucina di quanta ne riduca la cella frigorifera: in modo che, alla fine, il bilancio è sempre favorevole ad   un aumento di entropia (se non credete al fatto che l’entropia creata dal motore è più alta di quella che la cella frigorifera ha ridotto, vuol dire che, chiusa la porta e la finestra della cucina e lasciata aperta la porta del frigorifero, quest’ultimo vi raffredda la cucina come un condizionatore. E quanto questo non sia vero lo sanno tutti quelli che, avendo lasciata aperta la porta del frigorifero, non solo non hanno trovato la cucina più fredda, ma hanno addirittura trovato tutto il contenuto del frigorifero ‘caldo’ – alla temperatura della cucina – e quello del freezer scongelato).

        Allo stesso modo per la vita. Essa rappresenta certamente un’isola di violazione del Secondo principio perché è un fatto di per sé altamente improbabile, ma è riconducibile al Secondo principio proprio in quanto la vita non è possibile in un sistema isolato. Nel sistema uomo – ambiente, la presenza dell’uomo crea un’entropia molto maggiore della riduzione che la sua nascita ha comportato: da uno studio dell’UNESCO risulta che mantenere in vita e in peso un essere umano sano comporta, ogni anno, la degradazione di 500 Kg di cibo e la diffusione nell’ambiente circostante di 2 miliardi di Joule di energia sotto forma termica.

      Quanto ora detto apre poi ad un altro interessante capitolo: quello dell’ecologia. Da tutto ciò che abbiamo cercato di spiegare si dovrebbe esser capito che, data 1’inevitabilità dell’aumento dell’entropia, le operazioni: di ‘disinquinamento’ in un dato luogo comportano un inquinamento in un altro (in quello in cui si produce energia per disinquinare) e, poiché quest’altro luogo si trova sempre sulla Terra, alla lunga non si saprà più dove e come disinquinare. La soluzione di questo problema è un pio desiderio: non si tratta di ‘disinquinare‘ ma di ‘non inquinare‘. Ma di questo parleremo in un altro lavoro.

RENDIMENTI

          Poiché abbiamo parlato di macchine è indispensabile parlare di rendimento di esse. Il problema si pone molto meno quando la fonte energetica è gratuita, sole, vento, corrente di un fiume, salti d’acqua, …. Quando però dobbiamo comprare il combustibile (carbone, petrolio, …) ci poniamo il problema della convenienza di una data macchina. Se cioè i soldi che investo sulla macchina e, soprattutto, quelli che mi occorrono per farla funzionare sono convenienti al fine che mi propongo. L’insieme delle grandezze in gioco per definire il problema va sotto il nome di rendimento di una macchina (abbiamo già incontrato questo termine quando abbiamo parlato di Sadi Carnot). Iniziamo dalle grandezze in gioco: il lavoro meccanico (L) ed il calore (Q), sia quello utile a far funzionare la macchina ed a temperatura più alta (Q2), sia quello che dobbiamo gettare via a temperatura più bassa (Q1). Il rendimento R è facilmente definibile ed è del tutto comprensibile: si tratta di capire qual è la percentuale di calore che impiego (Q2) per ottenere un dato lavoro (L):

R = L /Q2

E’ subito evidente che il rapporto che definisce il rendimento NON può essere superiore al numero uno.          E’ impossibile cioè che una macchina dia a me più di quanto io gli fornisco. Si tratterebbe di creazione di energia che davvero lasciamo ai poveri gonzi (intendiamoci, sarei felice di ciò ma purtroppo chi ci crede è molto più che gonzo). Il problema è quindi quello di capire cosa fare per far sì che quel rapporto sia uno (tanto fornisco, tanto ricevo), ammesso che sia possibile arrivarci. Proviamo a sostituire alla quantità L il valore che trovò Carnot (riferito ad una macchina assolutamente perfetta (ricordo che Carnot era un teorico ed il suo lavoro era proprio finalizzato a capire dove al massimo si potesse arrivare nel rendimento):

L = Q2 – Q1

e la relazione vuol dire ciò che sappiamo, cioè che il lavoro ottenuto sarà uguale al calore che ho fornito meno la parte che ho dovuto buttare. Facendo la sostituzione si trova che:

R = L/Q2 = (Q2 – Q1)/Q2 = 1 – Q1/Q2

Prima di aggiungere altre considerazioni si vede subito che una macchina ha sempre un rendimento inferiore ad uno perché a questo numero occorre sottrargli il rapporto tra il calore scaricato (quello a temperatura più bassa) ed il calore fornito alla macchina (quello a temperatura più alta). Poiché rendimento uno vuol dire 100% sappiamo che il rendimento di una macchina è sempre inferiore al 100%. Ma di quanto? Per capirlo occorre fare un esempio servendoci della temperatura assoluta che abbiamo introdotta qualche capitolo più su. E’ stato dimostrato che è possibile, sotto certe condizioni che qui non interessano, nell’ultima relazione che abbiamo vista sostituire le quantità di calore Q con le temperature assolute T,

R = 1 – T1/T2

A partire da questa formula calcoliamo il rendimento di una locomotiva a vapore perfetta mettendo nei simboli valori reali. La temperatura nella caldaia sia di 127°C = 400°K. Pensiamo poi la locomotiva in marcia in un ambiente in cui vi è una temperatura di 27°C = 300°K (è la temperatura dell’ambiente che rappresenta sempre la sorgente fredda in cui si scarica il calore inutilizzabile). Il rendimento di tale locomotiva perfetta è:

R = 1 – 300/400 = 1 – 3/4 = 1/4 = 25%

E’ clamoroso, da questo esempio che non si discosta molto dalla realtà scopriamo che solo il 25% dell’energia termica che forniamo ad una locomotiva è utilizzata in modo utile. Ed è una locomotiva ideale quella considerata. Ciò vuol dire che una macchina reale fa scendere anche di molto questo valore. Ho già detto ed è utile ripeterlo che il rendimento di un’automobile ordinaria si aggira intorno al 10%. Prendendo l’argomento da altro punto di vista, vi rendete conto di quanto calore scarichiamo giorno e notte nell’atmosfera? Questo fatto, combinato con le emissioni di anidride carbonica che si accompagnano allo scarico di calore, ha conseguenze gravi perché aiuta quell’effetto serra al quale abbiamo accennato. Ma di questa vicenda che riguarda la protezione dell’ambiente parlerò in un prossimo lavoro.

          Resta da approfondire il concetto di rendimento andando a scoprire cose che sono difficilmente immaginabili.

          Il concetto di rendimento, come si può facilmente capire, è estremamente utile per capire che uso stiamo facendo di un dato combustibile. Esso ci può inoltre far capire il modo di migliorare le cose. Nell’esempio fatto si può anche capire come migliorare il rendimento della macchina intervenendo su ciò che possiamo modificare. Se consideriamo la relazione che ci fornisce il rendimento capiamo che possiamo solo intervenire su T2 poiché T1 è la temperatura dell’ambiente esterno. Per aumentare il rendimento dobbiamo far sì che il rapporto delle due temperature sia il più piccolo possibile per togliere il meno possibile all’unità che rappresenterebbe il 100% di rendimento. Per quanto detto il rapporto tra le due temperature diventa più piccolo solo aumentando T2. Ma aumentare la temperatura di lavoro del fluido comporta conseguenze importanti e assolutamente non trascurabili. Alte temperature significano alte pressioni e quindi contenitori a pressione più massicci e quindi più pesanti. Occorrerà quindi aumentare la temperatura compatibilmente con gli altri parametri in gioco (se, ad esempio, l’aumento di 10°K di temperatura dovesse comportare il raddoppio del peso della locomotiva ed un aumento di prezzo del 50%, state tranquilli che ci si accontenterebbe del rendimento suddetto. Vi sono poi altre compatibilità legate al tipo di materiale con cui è costruita la macchina ed in particolare la caldaia perché, ad esempio, con l’acciaio non si possono superare i 600°C.

          Naturalmente, per migliorare il rendimento di una qualunque macchina si può e deve intervenire sulla macchina stessa, sistemando ogni sua parte, ogni struttura, eliminando attriti inutili, cambiano attriti da radenti a volventi, insomma vi è un vero mondo applicativo. Si deve comunque sapere che il rendimento non salirà mai troppo (ricordo che quel 25% del rendimento della locomotiva era quello di una locomotiva perfetta).

          Questo rendimento si confronta con il Primo principio della termodinamica, cioè con la conservazione dell’energia. Più saliamo in percentuale di rendimento e più siamo soddisfatti per aver preso il massimo dell’energia utilizzabile.

          Per 150 anni, fino al 1974, questo rendimento ha soddisfatto i costruttori di macchine e chi le comprava. Poi accadde qualcosa che fece ripensare i problemi connessi con il rendimento. Nel 1973 Israele attaccò preventivamente tutti i Paesi arabi confinanti occupando territori che, in massima parte mantiene ancora. Vi fu una reazione del mondo arabo sull’economia mondiale: avrebbero ridotto la produzione petrolifera e l’esportazione di quel prodotto. La cr isi energetica di tutto il mondo industrializzato fu tale che ripresero gli studi sul rendimento, andando a capire come il Secondo principio della termodinamica poteva dare delle utili informazioni. Con un esempio renderò la questione sul tappeto molto chiara.

          Supponiamo di voler schiacciare una noce. Nessun principio della termodinamica mi impedisce di farlo con un maglio a vapore (quelle grosse macchine che si utilizzano per dare forma alle lamiere, ad esempio, di un’automobile). Quanto sappiamo sul rendimento ci consiglia di operare per il massimo rendimento del maglio. Quello teorico, calcolato con le elaborazioni di Carnot, è del 45%.  Quello della nostra macchina, fatti i conti, è del 30%. Occorre migliorarlo! Facciamo ogni operazione possibile ed arriviamo ad un rendimento del 40%. Ottimo risultato, possiamo passare a schiacciare la noce senza temere che qualcuno ci possa accusare di sprecare energia. Qualcuno, però, che fino ad ora era stato in silenzio perché sentiva parlare solo grossi tecnici e perché pensava di dire cose ridicole, prende in coraggio a due mani e dice: “Scusate, ma non era più semplice usare uno schiaccianoci?”. Questa favoletta non è così assurda come potrebbe sembrare. Essa rispecchia in modo abbastanza fedele la situazione nella quale noi ci siamo adagiati senza porci problemi utilizzando l’energia in modo dissennato: schiacciamo noci con un maglio e giriamo con una Ferrari dentro Roma, e neanche a pensare che queste follie sono scelte individuali del cittadino. In sostanza il problema di fondo è il seguente: l’uso che noi facciamo dell’energia è il più appropriato per gli scopi che ci prefiggiamo? Per rispondere a questa domanda è stato introdotto un altro tipo di rendimento (r), detto del 2° ordine per distinguerlo dal precedente. Questo rendimento ci dà informazioni sulla bontà delle nostre scelte sull’uso di una determinata fonte energetica. Esso permette di passare dalla quantità di energia alla qualità dell’energia utilizzata dandoci utilissime indicazioni su quale macchina e combustibile utilizzare per ottenere il migliore effetto. Insomma quale macchina è migliore per fare una determinata operazione. Una delle definizioni dice che r è il rapporto tra il minimo lavoro necessario per ottenere un dato effetto (Lmin) e il lavoro effettivamente fatto nella pratica per ottenere il dato effetto (Leff):

r = Lmin/Leff

Per capire la grande importanza di questo rendimento del secondo ordine, facciamo anche qui un esempio tratto dall’uso quotidiano dell’energia. Supponiamo di voler riscaldare una stanza a 22°C (T2 = 295°K) quando la temperatura dell’ambiente esterno è di 7°C (T1 = 280°K) utilizzando il termosifone alimentato da un bruciatore a gasolio. Il miglior rendimento R del primo ordine potrebbe darci un 60%. Qual è il rendimento r del secondo ordine? Con semplici conticini, che qui non interessano, si trova che tale rendimento è del 3,6%. E’ davvero un risultato strabiliante che ci dice come sia inadeguata quella macchina e quel combustibile per scaldare una stanza. Utilizzare del gasolio che brucia a 1000°C per riscaldare un stanza a 22°C è un vero e proprio scempio energetico chiamato strage termodinamica. Se seguiamo l’iter seguito capiamo meglio perché si parla di strage: del combustibile viene bruciato ad una temperatura di circa 1000 °C; l’acqua calda viene poi inviata ad un termosifone dove la temperatura è intorno agli 80 °C; il risultato è il riscaldamento della stanza a circa 20 °C; per avere 20 C° partiamo da 1000 °C, una follia! 

Abbiamo detto e qui occorre sottolinearlo che il calore ad alta temperatura è energia di estremo pregio: essa è in grado di fornirci altre energie di grandissimo pregio, il lavoro meccanico e l’energia elettrica. Al contrario il calore a bassa temperatura è energia di bassissimo pregio perché, ad esempio, non è in grado di darci del lavoro meccanico. Perché allora sprecare in questo modo l’energia pregiata? Una serie di possibili risposte le possiamo solo accennare: mancanza di volontà politica, interessi economici, pigrizia mentale, non conoscenza dei problemi, costi iniziali elevati.

          Dobbiamo però ora interrogarci su cosa occorre invece fare per riscaldare quella stanza. E’ evidente che occorre utilizzare energia a più bassa temperatura come quella fornita, ad esempio, dai pannelli solari piani (ma anche il calore di scarto delle grandi centrali elettriche), Facciamoci allora i conticini di prima sostituendo al bruciatore a gasolio dei pannelli solari piani che lavorino, ad esempio a 45°C(T3 = 318°K) e con un rendimento R = 80% (i pannelli non hanno organi meccanici in moto e teoricamente hanno un rendimento del 100%. Il fatto che consideriamo l’80% è dovuto a perdite di calore nelle tubazioni): facendo i conticini annunciati, si trova che r = 34%. Ciò vuol dire che i pannelli solari sono macchine più efficienti per lo scopo richiesto.

Si può poi osservare che, a volte, l’uso della fonte energetica appropriata può permettere l’aumento di un fattore 10 del valore del rendimento del secondo ordine. L’esempio che abbiamo precedentemente visto è un esempio di quanto vado dicendo. Che vuol dire ciò? Se pensiamo le cose in termini di energia scopriamo che la disponibilità energetica aumenta di circa 10 volte; se le pensiamo in termine di combustibile le cose diventano del tutto diverse: nel caso della caldaia c’è il consumo di una fonte energetica non rinnovabile, nel caso dei pannelli solari, per ottenere la prestazione in oggetto non dobbiamo consumare nulla che non si ricrei immediatamente. Ma, volendo anche escludere i pannelli solari, il riscaldamento domestico e dell’acqua si può certamente ottenere con il recupero del calore di scarto di svariati impianti industriali, centrali termoelettriche od altro.

          Facendo i conti per varie macchine e combustibili, si trova che i rendimenti del primo e secondo ordine, praticamente, coincidono per la produzione di energia elettrica e meccanica. Cosa vuol dire? Ambedue queste forme di energia sono estremamente pregiate; per la loro produzione occorre un’energia egualmente pregiata, quella contenuta nel calore ad alta temperatura. Come già accennato, per la produzione di calore a bassa temperatura, quello che serve per riscaldare ambienti o per avere acqua calda nello scaldabagno, è completamente errato l’uso di energia pregiata (alte temperature, energia elettrica, energia meccanica, …). L’energia (o il calore) a bassa temperatura è un qualcosa di scadente che si ottiene con gran facilità; per ottenere quindi calore a bassa temperatura occorre utilizzare fonti di calore che non superino i 120-130°C. Quando il salto tra la temperatura che ci occorre e quella che viene utilizzata è piccolo allora, possiamo star certi, abbiamo un rendimento del secondo ordine relativamente alto.

RISPETTO A COSA?

          Tra le molte cose che abbiamo tralasciato nel parlare di moto, quella cosa semplice che ci ha portato fino all’entropia, è il problema del riferimento. Un oggetto è in moto ma rispetto a cosa? Vi è un qualcosa di fisso, stabile, rispetto al quale considerare il moto? E’ questo un problema non da poco che ha il nome di sistema di riferimento. Inizio con un esempio davvero banale. Se ad un amico che viene a trovarmi dico che l’interruttore della stanza è sulla sinistra della porta, non fornisco una posizione definitiva di quell’interruttore. Debbo aggiungere che è a sinistra della porta entrando nella stanza. E’ una sciocchezza ma introduce la necessità di essere precisi. Un altro esempio è più sofisticato. Sarà capitato a molti di voi di trovarsi su di un treno in stazione. Arriva un altro treno ed i due sono affiancati in attesa di partire in versi opposti. Ad un certo momento un treno parte. Avete notato che non sapete distinguere quale dei due treni si è mosso? Che il movimento e la quiete, in alcune situazioni, si equivalgono? Che potrei, indipendentemente da come stanno le cose, considerare uno dei due treni fermi (quello dove sono io) e l’altro in moto e considerare quindi questo come un moto che allontana da me l’altro treno? Potrei invece, come in realtà faccio, non guardare più l’altro treno ma dirigere lo sguardo verso il marciapiede che è sicuramente fermo e mi dirà quale treno si muove. Insomma avere un qualcosa a cui riferire il moto è utile ed a volte indispensabile.

          Il problema si pose in modo addirittura drammatico sul finire del Cinquecento ed è utile andare a capire qual era il nocciolo del problema.

TOLOMEO E COPERNICO

          E’ molto facile oggi dire che Copernico aveva ragione, che è la Terra che gira intorno al Sole e solo i matti potevano credere che fosse il viceversa. Tutti copernicani! A costoro vorrei chiedere se hanno una qualche prova da portare a sostegno della loro ferrea convinzione. Provo io a dir loro qualcosa: noi vediamo il Sole che si muove: all’alba sale all’orizzonte, si eleva in cielo e, dopo l’intera giornata, tramonta. Serve un’altra prova per sostenere che la Terra è ferma ed è il Sole a muoversi? Potrei portare altre prove a mio favore ma questa è quella che si chiama la pistola fumante.

Vediamo come stavano le cose per capire meglio.

Fin dall’antichità più remota, l’osservazione del cielo è stata fondamentale per la vita e sopravvivenza dell’uomo. I primi insediamenti umani che cominciarono ad organizzarsi dovettero unire alla caccia, l’agricoltura e quindi l’allevamento del bestiame. E proprio l’agricoltura richiede una buona conoscenza del tempo meteorologico, del clima, la frequenza delle piogge, i periodi di siccità, il freddo, il caldo, … Per avere una mappa di ciò che mediamente accade, dopo l’alternarsi del giorno e della notte, furono osservate le lunazioni che davano i tempi su 28 giorni, quindi si passò a quante lunazioni servivano per l’alternarsi di quelle che oggi chiamiamo stagioni. Tutte queste osservazioni erano rivolte al cielo, al moto del Sole, della Luna, dei pianeti e delle stelle. Con osservazioni del cielo di migliaia di anni si cominciarono a capire molte cose sul suo comportamento ed in particolare a distinguere i pianeti dalle stelle (siete voi capaci di spiegare ad un amico come sia possibile una tale distinzione?). Si capì che i moti osservati erano ripetitivi e quindi dovevano essere circolari. Sembrava proprio che i pianeti e le stelle ruotassero intorno alla Terra. Gli studi e le osservazioni si raffinarono, nacquero speculazioni filosofiche, si costruirono i primi sistemi che avrebbero rappresentato il meccanismo dei moti celesti. Insieme a qualche matto che parlava di Sole al centro dell’universo, tutti optarono per un sistema planetario che aveva la Terra al centro, la Luna ed i pianeti in moto circolare intorno alla Terra, le stelle come una scenografia di fondo con un moto circolare sempre intorno alla Terra. Il sistema costruito in tal modo da Aristotele (III secolo avanti Cristo) fu perfezionato in modo da essere utilizzabile per vari usi (oltre all’agricoltura, alla navigazione) dallo scienziato alessandrino Tolomeo (II secolo dopo Cristo).

Il sistema planetario aristotelico-tolemaico da http://stelle.bo.astro.it/. La Terra è al centro mentre la Luna ed i pianeti fino a Saturno (non si conoscevano altri pianeti) ruotano intorno ad essa. Dopo Saturno vi sono le stelle, fisse l’una rispetto all’altra, ma in moto circolare nel loro insieme intorno alla Terra. Poiché non si conoscevano forze di alcun tipo, i pianeti e le stelle erano pensati sostenuti da sfere cristalline del tutto trasparenti. Ogni pianeta era incastonato su quella sfera ed i moti dei pianeti erano in realtà moti delle sfere l’una dentro l’altra (si veda la figura successiva dove non sono riportati tutti i pianeti). Naturalmente le cose erano molto più complesse ma per noi va bene così.

          Il sistema aristotelico-tolemaico si affermò e nessuno lo mise in discussione fino al XVI secolo quando un tal Copernico non ne propose un altro, quello appunto copernicano. Veniva cambiato radicalmente il tutto ed il Sole era sistemato al centro dell’universo mentre la Terra era trattata come un pianeta qualunque.

Il sistema copernicano da http://stelle.bo.astro.it/

Mi fermo un attimo per farvi riflettere su una questione di grande importanza, soprattutto per ciò che seguirà. Ho parlato di osservazioni del cielo, osservazioni certamente più semplici in un’epoca in cui la luminosità di fondo era inesistente: notte buia che faceva vedere un cielo pieno di astri. Ma anche se più facile vedere le stelle ed i pianeti, era complicatissimo capire da dove cominciare e come seguire. Provate voi, andando in montagna o in un luogo dove non vi è luminosità di fondo, provate a capire qualcosa ed a descriverla. La cosa è estremamente complessa perché quella sfera di stelle fisse ruota facendo un giro completo in 24 ore. Anche qui, quale riferimento scegliamo per cominciare a contare, a misurare? Per rendere conto della complessità del problema riporto un disegno in cui un astronomo dell’epoca, Thyco Brahe, osservava il cielo. Lo faceva seduto su un sedile di marmo fisso al suolo. Osservava il cielo attraverso una fenditura fatta sulla parete. Il riferimento di questo grande astronomo era questo punto di osservazione che, se cambiava, avrebbe dato risultati diversi (da notare nel disegno strumenti per misurare angoli e tempi).

Tycho dette importanti contributi alla comprensione del cielo, soprattutto a seguito delle sue osservazioni. I lavori di questi furono continuati da Kepler che ricavò le famose leggi che portano il suo nome. Fin qui nessun problema. Gli studi e le ricerche passarono in Italia ed iniziarono gravissimi problemi. Giordano Bruno affermò in giro per l’Europa la sua fede copernicana e nel gennaio del 1600, dopo una lunga prigionia corredata da torture, fu bruciato vivo da chi sosteneva l’impossibilità di fede di una Terra in moto. Con iniziale cautela aderì al copernicanesimo Galileo Galilei finché non riuscì a fare delle osservazioni celesti di grandissima importanza che lo convinsero definitivamente. Galileo ebbe un aiuto decisivo da una sua idea: rivolgere il cannocchiale, recentemente scoperto e da lui perfezionato, verso il cielo.

Con questo straordinario strumento d’osservazione scoprì molte cose che fece conoscere in un suo libro del 1610, il Nuncius sidereus (Il messaggero delle stelle). Galileo si convinse della validità del sistema copernicano e ne divenne un fervente divulgatore attraverso osservazioni, esperienze e dimostrazioni che partivano anche da argomenti apparentemente diversi. Come gli rinfacciarono i suoi molti avversari, Galileo non dimostrò ciò che era impossibile dimostrare osservando dalla Terra, non dimostrò cioè il moto della Terra intorno al Sole. Ma lo rese plausibile con l’introduzione di argomenti relativistici (relatività di Galileo e non di Einstein che è tutt’altra cosa) secondo i quali: se osserviamo dalla Terra è il Sole che sembra in moto circolare intorno a noi ma, se potessimo osservare dal Sole, sarebbe la Terra a risultare in moto circolare intorno al punto d’osservazione. Il punto d’osservazione risulta fondamentale per stabilire molte cose. Si tratta del nostro sistema di riferimento. Facciamo un salto in avanti nel tempo e portiamoci ai giorni nostri. Cerchiamo di capire quali sono alcune traiettorie di alcuni astri osservate da alcuni riferimenti opportunamente scelti. Chiamiamo il Sole con S, la Terra con T, la Luna con L e l’osservatore con X, nelle figure seguenti sono riportate varie traiettorie dei corpi celesti in oggetto al variare della posizione dell’osservatore, al variare cioè del sistema di riferimento.

Nei disegni riportati nell’ordine: l’osservatore sulla Terra vede il Sole ruotargli intorno; l’osservatore sul Sole vede la Terra ruotargli intorno; l’osservatore sulla Terra vede la Luna ruotargli intorno; l’osservatore sul Sole vede la Luna descrivere quella strana traiettoria sinusoidale.                                                   

Per vedere un’altra semplificazione occorrono delle informazioni aggiuntive. Se ci andiamo a sistemare su di una stella della galassia rispetto alla quale il Sole si allontana a velocità pressoché costante, allora troviamo che la traiettoria della Terra rispetto a noi, che siamo su questa stella, è rappresentata dalla figura seguente:

Come si può vedere stabilire il moto o il tipo di moto o la traiettoria di un oggetto rispetto ad un altro è cosa complessa che non può prescindere da altre informazioni. Ai tempi di Galileo quindi era del tutto prematuro parlare del moto della Terra eppure la grande capacità di vedere di Galileo (e non solo) oltre ciò che appare è veramente impressionante. Da Galileo, proprio per la sua abilità di descrivere il mondo nel nuovo modo di vederlo, iniziò la descrizione del mondo naturale che oggi tutti accettano.

          Ho solo raccontato qualche episodio di questa avventura e ci vorrà ancora molto per dare una visione minimamente vicina alla complessità che questa avventura ha acquistato. Lo vedremo in un prossimo lavoro.

APPENDICE A

L’ASTROLOGIA E GLI OROSCOPI

Attraverso gli scrittori greci e romani dell’età classica (Giamblico, Simplicio, Strabone, Erodoto, Seneca, Diodoro) abbiamo notizie dell’astronomia dei caldei (di derivazione probabilmente sumerica e quindi babilonese), popolo che possiamo probabilmente situare tra Mesopotamia e Vicino Oriente dal 3° millennio al 3°/2°secolo a.C.   

      Gli scambi culturali avvennero con la Grecia e quindi con Roma e gli influssi furono importanti. I caldei vengono comunemente indicati come i fondatori dell’astrologia che conosciamo (anche se da un certo punto in poi è impossibile risalire indietro per mancanza di fonti attendibili). Ad essi vengono attribuite delle osservazioni celesti prolungatesi per oltre 2000 anni e una qualunque storia della scienza parlerà dei caldei come scienziati, riservando un paragrafo all’astrologia. In ogni caso l’astrologia si presenta in epoche relativamente recenti se il primo oroscopo che conosciamo è del 410 a.C., in un’epoca cioè in cui vi era la dominazione persiana.

       I caldei accumularono quindi innumerevoli conoscenze sul cielo e, come fatto accessorio, in un universo geocentrico, dettero arbitrariamente svariati significati ad alcuni fenomeni celesti:

1) essi conoscevano perfettamente i movimenti dei cinque pianeti noti. Tali pianeti (Saturno, il più influente con significato di ordine, giustizia e pace; Marte, simboleggiante una potenza nemica; Venere, a volte propizia, a volte funesta, a seconda della sua posizione nel cielo; Mercurio, il pianeta del principe ereditario e Giove, pianeta del re) vengono chiamati “interpreti” perché sono dotati di un moto speciale rispetto agli altri astri che sono fissi (stelle fisse) o soggetti ad un cammino regolare (Sole e Luna). Per il saggio osservatore essi possono dare indicazioni sul futuro nel senso che permettono di sapere cosa faranno gli astri stessi nel futuro se vi saranno o meno catastrofi naturali. L’astrologia non si pone risolutiva dei problemi dell’uomo ma del regno ed al massimo del suo re come sommo rappresentante di tale regno. Sullo sfondo della marcia di questi cinque pianeti vi sono 36 astri (i “consiglieri”);

2) vi sono 12 “capi” tra i 36 consiglieri ed ognuno di questi capi presiede un mese ed uno dei 12 segni zodiacali;

3) ciascun pianeta ha il suo corso particolare; essi differiscono tra loro per avere differenti velocità e differenti periodi di rivoluzione. Gli astri influiscono sulla vita dell’uomo decidendo del suo destino. Ma non sono i destini individuali degli uomini che vengono predetti ma quelli di un intero popolo. Sono proprio le irregolarità apparenti nel moto dei pianeti, osservabili da una Terra supposta immobile, da cui si fanno discendere cambiamenti nella vita dell’uomo. Per questo i fenomeni di apparizione e sparizione degli astri e dei pianeti all’orizzonte (dove vanno? nella zona dei morti!), le eclissi, le comete sono sempre fatti che provocano angosce e voglia di sapere cosa accadrà. 

Noi abbiamo ritrovato pochi documenti tra cui le tavole delle effemeridi ed alcune affermazioni di carattere generale del tipo: “se vi è un alone intorno alla Luna piena del primo giorno, il mese sarà piovoso o nuvoloso”, “se vi è un alone intorno al Sole si leverà un vento dal Sud”, “se Marte è visibile tra giugno e luglio vi saranno guerre”, “se Mercurio sta a Nord si avranno morti ed una qualche invasione di un Paese straniero avrà luogo”, “se Marte si avvicina ai Gemelli un re morirà e nasceranno delle rivalità”. Poi altre correlazioni del tipo: “se Marte si avvicina a Giove, si deve prevedere una guerra con un Paese vicino”, “se Giove entrava nel sagittario o nel Toro, la vita del Re era in pericolo”, “se Giove entrava nel Cancro era il segno di un regno prospero e felice”. Tutto questo deve però essere confrontato con il periodo dell’anno in cui si fanno osservazioni, con l’osservazione precedente e la seguente, con il ruolo della potente Luna, … e così via.  Insomma una serie di affermazioni prive di qualunque giustificazione. Non legate assolutamente a nulla, forse discendenti da osservazioni astronomiche più elementari (quelle legate ai problemi essenzialmente climatici che derivano dall’agricoltura) da cui discendono come estrapolazioni.

4) più che la presenza di un determinato pianeta del cielo era notevole la sua maggiore o minore luminosità, rispettivamente, presagi nefasti (influenza minore) o di felicità e successo (influenza maggiore).

        Più in generale, si può dire che in Mesopotamia la magia era presente nella cultura del Paese ed era una istituzione ufficiale che aveva un carattere prettamente religioso ed affidato a sacerdoti, esorcisti o incantatori che officiavano in nome degli dei. Ma vi era anche qui una magia legata al destino dei popoli e dei re e quella molto più ciarlatana di sortilegi e malefici. Su quest’ultimo aspetto vi era un generale discredito tale da assegnare sempre a stranieri il fatto di essere maghi o astrologi.

       Quindi è di rilievo il fatto dell’inseparabilità di magia ed astrologia da religione, anche se sia tra i sumeri che tra i babilonesi la religione non era un assoluto principio di spiegazione, ma piuttosto una filosofia. Infatti né religione né magia avevano un qualche ruolo privilegiato nella spiegazione del mondo  

Passaggio in Grecia e a Roma

    Intorno al 3° secolo a.C. l’astrologia penetrò in Grecia con uno spirito diverso, quello di volere interpretare il destino di ciascuno degli esseri viventi a partire da dove sono situati gli astri ed i pianeti al momento della nascita e addirittura della concezione. Si può ad esempio dire subito che la durata della vita dipende dalla maggiore o minore lentezza nel sorgere di una data costellazione dello Zodiaco al momento della nascita. I pianeti sono arbitrariamente classificati come malefici o benefici o indifferenti; allo stesso modo arbitrario è considerata la loro posizione al momento della nascita (le congiunzioni, le opposizioni, le quadrature, …).

     In definitiva sarebbero i pianeti ad influenzare la vita degli uomini (le sue qualità fisiche e psichiche se non morali, gli accadimenti futuri, …) di modo che si può dire con certezza che il famoso “libero arbitrio” non esiste. Come gli astri influenzerebbero gli eventi? Se solo pensiamo alla luce che ci inviano che non è poi altro che quella riflessa dal Sole è veramente ben poca cosa. La Luna dovrebbe avere influssi enormi in confronto a qualunque altro pianeta! Se poi si pensa alle macchie solari, lo spostamento di esse sul Sole (anche qui “variazione”) invia sulla Terra un’energia che è miliardi di volte maggiore.

     Tornando alla Grecia, dopo un certo periodo di successo, l’astrologia cadde in un profondo discredito, a seguito di montagne di pronostici errati, ed i suoi praticanti furono ritenuti dei ciarlatani. Vi era un altro aspetto che dava fastidio nell’astrologia: era invadente, si infilava dappertutto condizionando la vita della gente con strane preclusioni e proibizioni. Tale discredito seguì a Roma dove, addirittura, vennero cacciati tutti gli astrologi nell’anno 139 a.C.

     Ma in modo sotterraneo essi seguirono. Mescolarono le loro predizioni con altre pratiche come l’alchimia e la magia. La maggiore rinascita, comunque sempre a livello popolare, si ebbe a partire dal II secolo d.C., in corrispondenza con i primi scrittori cristiani, con un generale abbandono del sapere, del vivere organizzato civilmente, di periodi torbidi della storia umana. La miseria e l’ignoranza fecero da sfondo a questo miscuglio di pratiche superstiziose. Alla formazione di questa atmosfera profondamente irrazionale contribuirono la struttura politica ed economica dell’Impero, i contatti con le religioni orientali (egiziana, ebraica e cristiana) e le correnti stoiche e platoniche della filosofia greca.

     Ed i testi magici che iniziarono ad apparire in quantità nei primi secoli dell’era cristiana erano testi essenzialmente religiosi. Tutto ciò era ad uso di povere persone incolte che tentavano di modificare in qualche modo il loro triste modo di vita. Almeno fino al Rinascimento, quando, per una serie di circostanze, queste pratiche acquistarono grande dignità ed ebbero asilo presso le corti di Papi, Imperatori e Re. Fu nel Rinascimento che la superstizione astrologica e magica divenne “colta” ed accettata anche da bolle papali.

In cosa consiste l’astrologia   

    Intanto, come già detto, si tratta di una pratica nata almeno 3000 anni fa su miti e leggende provenienti dall’oriente. Quindi è riferita ad una Terra immobile dentro l’Universo. Le costellazioni che sono prese a riferimento sono costellazioni in gran parte insignificanti rispetto, ad esempio all’Orsa Maggiore. Sono state prese PROPRIO quelle costellazioni per un semplice fatto: su di esse, nel corso dell’anno, risulta proiettata l’immagine del Sole vista da questa Terra che, ripeto, è supposta immobile. Il Sole è il re degli astri e deve avere un qualche significato se in un periodo dell’anno si trovi proiettato in una costellazione piuttosto che in un’altra. Osserva Franco Selleri che l’influenza delle costellazioni non si sente che per circa le due ore di un parto. Prima il ventre della madre è uno schermo eccellente. Poi le mura di una casa o di un ospedale non schermano più. Tra le varie forze che conosciamo della fisica nessuna sembra avere un minimo di relazione con questi eventi. Per quel che ne sappiamo ha maggiore influenza sulla vita di un uomo il moto dei pesci nel mare che non l’essere nati in un dato istante. Inoltre perché Toro, Vergine, Capricorno, Pesci, …? Le stelle nel cielo sono sistemate in modo molto casuale e il volervi vedere una immagine o un’altra è fatto puramente soggettivo. E’ un poco come voler riconoscere una qualche figura nelle nuvole nel cielo.

            Riporto come esempio le stelle che costituiscono due costellazioni zodiacali, il Cancro ed il Leone:

e sfido chiunque a mettersi ad osservare il cielo ed a riconoscere tali costellazioni. Nel caso lo facesse, sarebbe di interesse scoprire se per caso, guidando opportunamente una matita non possa uscire una costellazione Sagittario, o Vergine distesa o Ferrari (tanto per aggiornare lo Zodiaco). Inoltre le stelle non sono, come si credeva, tutte su di una superficie sferica per cui si potrebbe in qualche modo pensare ad una loro unità reale; esse si trovano a distanze assolutamente differenti dalla Terra e non costituiscono nessuna unità. Ma vi è ancora di più. Volendo proprio seguire il filo di tali ragionamenti si scopre che il Sole ha una tredicesima costellazione su cui risulta proiettato: si tratta di Ofiuco che si conosceva ma che fu fatta notare dall’astronoma inglese J. Mitton nel 1995. Ma tale costellazione, perché insignificante (per chi?) e perché complicante i calcoli (12 mesi e dodici costellazioni funziona meglio che con 13 costellazioni) è stata tranquillamente messa da parte. Prima di proseguire fornisco quindi le “vere” costellazioni zodiacali:

  I SEGNI DEL VERO ZODIACO   
      
Capricorno dal 19 gennaio al 15 febbraio 
Acquario dal 16 febbraio all’11 marzo 
Pesci dal 12 marzo al 18 aprile 
Ariete dal 19 aprile al 13 maggio 
Toro dal 14 maggio al 20 giugno 
Gemelli dal 21 giugno al 19 luglio 
Cancro dal 20 luglio al 19 agosto 
Leone dal 20 agosto al 15 settembre 
Vergine dal 16 settembre al 30 ottobre 
Bilancia dal 31 ottobre al 22 novembre 
Scorpione dal 23 novembre al 29 novembre 
Ofiuco dal 30 novembre al 17 dicembre 
Sagittario dal 18 dicembre al 18 gennaio 

         E’ imbarazzante, dopo che ci hanno spiegato che l’essere nati lì con quell’ascendente là implica un certo carattere, un certo modo di essere, scoprire che siamo diversi e che non è vero che siamo chiusi ed ombrosi ma aperti e ridanciani.

        Ma poi i pianeti che, per cominciare, non hanno nessuna relazione con stelle o costellazioni. Ad essi vengono assegnate caratteristiche ancora completamente arbitrarie ed affermare, ad esempio, che Marte è nel Leone è pura follia: non esiste il Leone e Marte non è da nessuna parte se non sospeso in un’orbita che, dalla Terra, lo fa vedere in un luogo e dalla Luna in un altro (forse nella Vergine) e così via da qualunque altro punto del sistema solare. Alla fine ci si chiede: dov’è Marte?

        Il moto retrogrado dei pianeti gioca un ruolo importante nell’astrologia. In cosa consiste? Nella loro orbita intorno al Sole, vista dalla Terra, qualche pianeta ogni tanto non segue il suo moto in una precisa direzione di rotazione. Esso, sempre osservato dalla Terra, avanza nel suo moto ordinario poi, ogni tanto torna un pochino indietro per riprendere successivamente la sua marcia ordinaria. Straordinario, per chi non conosce il sistema copernicano ed è ancora legato alla Terra immobile. Gli effetti della retrogradazione nascono proprio dal fatto che anche la Terra è in moto e quindi assegnare a questo fatto un qualche significato è veramente da sciocchi. Vediamo l’esempio di un moto retrogrado, per capire meglio.

        Nella prima figura (tratta da Kuhn) vediamo la traiettoria del Sole proiettata sulle costellazioni dell’Ariete e del Toro. Nella seconda (idem) vediamo, in date diverse, la traiettoria del pianeta Marte visto dalla Terra. Nella terza invece (tratta dal mio libro “La Relatività da Aristotele a Galileo”) si fornisce la spiegazione grafica del moto retrogrado sia per un pianeta superiore (Marte)che per un pianeta inferiore (o Venere o Mercurio). Ora l’astrologia afferma che, quando il moto è regolare, (“stazionario”) allora si hanno degli effetti; quando è retrogrado se ne hanno degli altri: se Venere è stazionaria tutti gli amanti sono felici: sorgono grossi problemi se Venere è retrograda; se Marte è stazionario si è vincenti, altrimenti poveri noi.

        Ma vi sono altre perle da infilare nella collana. Tutto l’apparato “astronomico” dell’astrologia è lo stesso da secoli, mentre l’universo è cambiato e, per quel che ci riguarda, sono cambiate le posizioni reciproche di costellazioni, pianeti, Sole e stelle varie. Uno dei fenomeni che riguardano il moto della Terra intorno al Sole è la precessione degli equinozi. Esso, scoperto nel II secolo a.C. da Ipparco, non è stato mai considerato dagli astrologi. Eppure l’asse terrestre, a seguito della sua inclinazione, della Terra che non è una sfera perfetta, dell’attrazione lunare, di quella del Sole e degli effetti gravitazionali dovuti a tutti i pianeti, si sposta in modo che, ad esempio, il Polo Nord (ma anche il Polo Sud) compie una rotazione completa in circa 24 000 anni. E’ questo il motivo per cui oggi non è più la Polare, la stella indicante il Nord, ma la Ursa Minoris; ciò fino al 2 880 quando il Nord sarà indicato dalla Draconis, infine nel 24 000 da Vega.

        Ebbene tutto ciò comporta che la proiezione del moto del Sole sulle costellazioni dello Zodiaco, avvenga in modo da essere proiettato su determinate costellazioni in tempi diversi da quelli che furono fissati nell’antichità. E’ divertente notare che gli astrologi definiscono coraggioso un uomo nato nel segno del Leone. Ma ora i segni zodiacali, dopo almeno 2 000 anni, sono tutti scivolati all’indietro di una posizione e ciò comporta che quest’uomo è nato in realtà nel segno del Cancro. P. Couderc, uno studioso francese che ha distrutto molti miti fantastici e superstiziosi, si chiede che relazione vi sia tra un granchio ed il coraggio.

        Altra considerazione riguarda gli oroscopi che impunemente si sono fatti per circa 2000 anni. Come era possibile se pianeti così importanti come Urano (scoperto nel 1781), Nettuno (nel 1846) e Plutone (nel 1930) non erano stati ancora scoperti? E poi gli asteroidi, i satelliti dei diversi pianeti proprio non hanno influssi? Ne siamo sicuri? E perché no? Eppure, nei manuali di astrologia (ad esempio: M. Gauquelin) si leggono queste caratteristiche possedute dai vari pianeti (includendo Sole e Luna):

 LUNA è preposta all’infanzia, alla digestione e alle mestruazioni. Dispensa un carattere sensibile, emotivo, impressionabile, influenzabile, sognatore, capriccioso, poetico, pigro, debole [caspita! n.d.r.].

MERCURIO governa l’adolescenza, il sistema nervoso, la respirazione. Dispensa un carattere adattabile, flessibile, abile, accurato, ingegnoso, raffinato, mutevole, vario, instabile, versatile, malizioso.

VENERE governa la prima giovinezza, il sistema genitale-urinario. Dispensa un carattere vivace, allegro, divertente, affabile, dolce, sensibile, elegante, attraente, amante, frivolo.

SOLE governa la giovinezza (dai 20 ai 30 anni), la produzione di calore nell’organismo, l’apparato cardiocircolatorio, la vista, il cuore, il cervello. Dispensa un carattere altero, magnanimo, aristocratico, poderoso, generoso, sincero, a volte orgoglioso.

MARTE governa l’inizio della maturità, la muscolatura, le pulsioni ed il tropismo. Dispensa un carattere energico, robusto, coraggioso, virile, combattivo, svelto, franco, impulsivo e tirannico.

GIOVE governa la maturità (i sessanta), il fegato, il sangue, le gambe. Dispensa le capacità astrattive e creatrici, l’idealismo (?), il senso comune, il senso dell’organizzazione, della disciplina e del dovere, l’autoritarismo insieme alle capacità di essere un buon amministratore.

SATURNO governa la vecchiaia, lo scheletro, la pelle. Dispensa un carattere introverso, riservato, prudente, paziente, riflessivo, tranquillo, profondo, stabile, serio, fedele, malinconico. Dà propensione al pessimismo, all’egoismo ed alla solitudine.

URANO governa l’erezione, il mandare delle cose nel corpo e l’espellerle [certo che prima della metà del ‘700 vi erano una montagna di problemi e di natalità, di digestivi e lassativi, n.d.r.]. Conferisce un carattere sistematico nel concentrare gli strumenti di cui si dispone e nel perseguire un determinato obiettivo, un carattere forte, indipendenza, singolarità, originalità, eccentricità, cinismo, stravaganza. E’ di interesse notare che gli astrologi assegnano a questo pianeta cose che nascono da quando il pianeta è scoperto: tecnicismo, progresso, riforme, macchinismo, industria, trust, capitalismo, imperialismo, fascismo e dittatura.

NETTUNO governa l’indistinguibilità, la confusione, la disposizione a raggrupparsi in movimenti di massa. Fornisce un carattere ipersensibile, molto emotivo, impressionabile, sfumato, incerto, impreciso, caritatevole, masochista, chimerico, utopico ed idealista. Anche qui gli astrologi hanno aggiornato i cataloghi ed hanno assegnato a questo pianeta: movimenti di massa, anarchia, demagogia, scandali, caos, rivoluzione, sindacalismo, democrazia, socialismo, comunismo [ultimamente Nettuno deve essere scomparso dal cielo, n.d.r.].

PLUTONE governa l’ombra e l’invisibile. Esprime il lato demoniaco della vita ed ha relazioni con istinti aggressivi profondi, quelli della morte. Riguarda grandi distruzioni, paure, sacrifici. Ha a che fare con magia, astrologia, alchimia ed ogni pratica eterodossa. Si assegna a questo pianeta il Ku Klux Klan, la sessualità (?), il nazismo, lo spionaggio, la bomba atomica [a questo punto sembra quasi certa la scoperta di un altro pianeta che dà indizi di sé dalle perturbazioni dell’orbita di Plutone; quasi certamente vi saranno affibbiate la globalizzazione, le Twin Towers, il berlusconismo, la TV, n.d.r.].

        Insomma poiché la vita chiudeva con Saturno, i nuovi pianeti non hanno più a che fare con essa. Allo stesso modo non c’entrano nulla con pezzi anatomici del corpo, già esauriti con lo stesso Saturno. Si è costruito un apparato completamente privo di ogni riferimento, giustificazione, senso e ragione. Nessuno spiega infatti le cose che ho elencato e che devono essere prese per buone anche se, nella loro formulazione, hanno margini di discrezionalità tali da fare entrare in esse ogni possibile ciarlatano ladro dei soldi della gente che stupida (a questo punto, direi proprio di si) si affida a loro per sentirsi dire ciò che fa piacere.

        Nel 1975, su The Humanist, 186 scienziati di fama mondiale hanno firmato un manifesto contro l’astrologia in cui si legge:

        “In un’epoca di diffusa educazione e conoscenza non dovrebbe proprio essere necessario parlare di queste magie e superstizioni. Ma dobbiamo constatare che attraverso giornali, settimanali ed altri mezzi di comunicazione la credenza nell’astrologia viene oggi largamente disseminata nelle nostre società. Questo fatto può solo contribuire alla crescita dell’irrazionale e dell’oscurantismo.”

        Ma sono state fatte verifiche di qualche tipo? Si è operato come per la verifica sperimentale di una qualunque teoria? Certamente e tutte queste verifiche sono state con esito assolutamente negativo. Ne ricordo qualcuna (si veda Selleri).

        Il più noto studioso del problema è l’astronomo francese Paul Couderc. Egli si è preso la briga di fare una indagine relativa ad una parte dell’astrologia che trova d’accordo tutti gli astrologi: quando Marte passa nella costellazione dove il Sole si trovava al momento della nascita, le persone in tali condizioni sono predisposte alla morte. Couderc si è recato all’anagrafe del comune di Parigi, ha preso le date di nascita e di morte di migliaia di persone in tale condizioni di nascita ed è andato a vedere la data della morte, se per caso corrispondesse o avesse una qualche relazione con le affermazioni dell’astrologia. Couderc non ha trovato alcuna correlazione, proprio niente. Le morti avvenivano a caso come per ciascuno di noi.

        Sempre in Francia, la rivista Science et Vie ha messo su uno smascheramento plateale. Al famoso astrologo che chiedeva solo qualche dato da inviare per posta per avere degli oroscopi affidabili e realizzati con il computer, la rivista ha inviato i dati di dieci famosi criminali cambiando solo i loro nomi ed indirizzi. Le risposte furono tutte esaltanti per queste persone. Il più noto tra i dieci criminali, tale Marcel Petiot (condannato per 27 assassinii), ebbe un oroscopo che diceva:

“carattere adattabile, …, tendenza all’ordine, al controllo, alla misura. Natura ben inserita nelle norme sociali … provvista di un confortevole senso morale. Sensibilità elettrizzante d’amore universale”.

       Il fisico J. McGerevey ha studiato date di nascita e scelte di vita di 6 000 politici e 17 000 scienziati. Egli cercava di trovare corrispondenze tra le pretese disposizioni astrali e ciò che era accaduto in realtà. Nessuna correlazione era presente.

    Analogo esperimento ha fatto l’astronomo J.B. Bok su ingegneri, preti, industriali, banchieri, medici, letterati. Esito totalmente negativo. Non si è trovata neppure una sola correlazione tra le supposte predisposizioni ed i dati della realtà.

    Da ultimo cito solo il caso di Farnsworth che approfondì date di nascita e biografie di oltre 2000 musicisti e pittori affermati. Tutti questi artisti erano nati indifferentemente in tutte le costellazioni. La Bilancia che dovrebbe presiedere alla creazione artistica non era più rappresentata del Capricorno.

Magia come sovrapposizione di religione e scienza

       Entrare nel mondo della magia è finire in un buco nero. Indico qualche capitolo che occorrerebbe investigare, tanto per capire il senso di ciò che ho detto:

1)  Guaritori

2)  Indovini

3)  Erbe curative

4)  Animali curativi

5)  Preghiere

6)  Benedizioni

7)  Scongiuri

8)  Amuleti

9)  Talismani

10) Stregoneria

11) Divinazione

12) Illusionismo

13) Oggetti magici

14) Magia astrale

15) Astrologia ed alchimia a cui abbiamo già accennato.

        Mi sembra si capisca che qui occorrerebbe rivisitare la storia dell’umanità. E’ praticamente impossibile riuscire a seguire tutti i filoni suddetti ed i loro intrecci effettivi e possibili. A tutto questo si devono poi aggiungere gli infiniti feticismi legati all’adorazione delle reliquie: un osso che fa i miracoli! Per ora lascio rimandando all’Appendice B anticipando che vi sono volumi interi che trattano della testa di Santa Caterina, dello spezzatino fatto del corpo di Teresa d’Avila, e della Sindone, una delle massime bufale che rincuora chi la fede la lega ad oggetti materiali.

APPENDICE B

MAGIA

Vi fu un’epoca in cui si susseguirono condanne, con motivazioni magari discutibili, delle pratiche che, più in generale, chiamerò superstiziose. E’ comunque un fatto che oggi la superstizione è tollerata anche all’interno della Chiesa. Il fatto è che, da un certo punto in poi, è difficile distinguere le superstizioni dalle reliquie, dai miracoli, dal culto dei santi, dalle statue e le immagini religiose. Questi intrecci nascono proprio perché sia le superstizioni che la religione nascono nello stesso seno: in un ambito di cultura popolare a volte definita benevolmente folcloristica. Già nella Roma classica (Cicerone) si tentò la distinzione tra superstizione e religione. Quest’ultima aveva una sua dignità, un desiderio di re-legere, di mettere insieme, piuttosto che quello di super-stare, essere unico testimone. La superstizione era quindi concepita come una forma pervertita di religione soprattutto per quel prefisso super.

        Il bagaglio delle superstizioni passò alla cultura (?)cristiana e troviamo il convertito Lattanzio (300 d.C.) come il primo che ci lascia degli scritti in proposito. Si cambia il senso dei termini. Da quelli ciceroniani riportati si passa a religio come re-ligare e cioè ad “unire di nuovo“, la superstizione è invece intesa come chi venera i morti per sopravvivere ad essi. La religione risulta ora opposta alla superstizione: quest’ultima è una eredità del mondo pagano. Si arriva ad affermazioni del tipo: “La religione è il culto del vero Dio, la superstizione del falso”.

        Cose importanti contro la superstizione vennero dette da S. Agostino (400 d.C.) e tutte facevano riferimento al primo comandamento (Non avrai altro Dio fuori di me). La superstizione è un sopravvivere del paganesimo e dell’idolatria e va condannata ogni forma di adorazione non della divinità ma, ad esempio, degli oggetti o delle immagini che la rappresentano. Ma Agostino assegnò il male della superstizione all’influenza dei demoni e così fece nascere un intreccio prima inesistente (lo stesso serpente della Bibbia non è un demone, sarà individuato come tale solo più tardi), intreccio che porterà, ad esempio, alla “caccia alle streghe”. Gli spiriti maligni esistevano nelle culture greca, romana e giudaica. I primi pensatori cristiani trasferirono tali credenze incanalandole nei demoni, esseri malefici. Il Diavolo, Satana, contraltare di Dio ed in perenne lotta con esso, ha una valenza molto superiore ai demoni di cui si parlava nell’antichità classica. Il Diavolo è di epoca Scolastica (tra l’VIII ed il XIV secolo). I più semplici demoni vengono anche descritti da Agostino: essi hanno una grande esperienza ed un’enorme conoscenza, sono velocissimi e capaci di ingannare chiunque, sono così sottili che si possono infilare ovunque (anche nel corpo e nello spirito dell’uomo), sono capaci di prevedere il futuro, hanno grandissima abilità tecnica (con cui “fabbricano” le loro macchinazioni) ma non possono “creare”, possono fare ammalare, possono provocare allucinazioni o visioni speciali all’uomo particolarmente nei sogni. Le vittime di questi demoni sono gli uomini, particolarmente quelli “deboli”. Per curiosità si possono citare le superstizioni che condannava Agostino: invocazioni ed amuleti di qualsiasi tipo per mettersi in contatto con esseri occulti (naturalmente è sottinteso “malefici“); l’astrologia; gli orecchini (?); gli anelli fatti con ossicini di struzzo (?); il prendersi il pollice sinistro con la mano destra quando si ha il singhiozzo; il credere che le amicizie siano minacciate dal fatto che uno inciampi su un sasso, un cane o un bambino; il tremare quando i topi si sono mangiate le scarpe; il rimettersi a letto quando, alzatisi, si starnutisce; la credenza nelle fate;…. Come si può vedere sono cose oggi quasi del tutto desuete ma mostrano credenze che in certe epoche nascono e si mantengono fino al punto che uno come Agostino debba dedicarvi tanto tempo. Ma questo era Agostino. Cosa accadeva tra i cristiani comuni? Semplice paganesimo, idolatria, con qualche pezzo addirittura macabro. Intanto inventarono santi in quantità (i martiri erano perfetti). Ognuno addetto alla protezione di qualcosa (le malattie, i problemi familiari, i furti, le perdite, i viaggi), di modo che si ricostruì la serie degli dei aggiungendone moltissimi. In più i capi di quella Chiesa, particolarmente a Roma, inventarono il culto ed il commercio delle reliquie vere o false che fossero (ed a lato di queste, delle storie tanto fantastiche quanto sciocche). Poiché molti non sanno, occorre raccontare di qualche reliquia e, nel farlo, ricordare ciò che Agostino sosteneva a proposito degli amuleti.

            Occorre ricordare che all’inizio della cristianità non vi erano facili comunicazioni e che nessuno riusciva a confrontare la ruffa della ripetizione di molte reliquie. Così, ad esempio, solo da poco sappiamo che si conservano i denti di Santa Apollonia in oltre 200 santuari, si hanno due teste di San Giovanni, trenta chiodi della crocifissione di Gesù e 24 prepuzi dello stesso Gesù provenienti dalla circoncisione.  

            Cominciamo da una storia fantastica. Tutti sanno che la casa di Maria, madre di Gesù, se ne andò dalla Palestina per venire in Italia, a Loreto (primo secolo d.C.). Pochi sanno che, nel tragitto (immagino in volo sul Mediterraneo), un pezzo di questa casa (ed una immagine di Maria: anche qui deduco che si usasse tenere in casa quadri rappresentanti la propria immagine) si separò per andarsene in Spagna, a Zaragoza. Questo è il motivo per cui in questa città vi è il santuario della Virgen del Pilar, che vuol dire Vergine del Pilastro o della Colonna. Ma che c’entra un pilastro con la Vergine? E’ uno dei pilastri della sua casa staccatosi per venire a benedire la santa terra di Spagna!  

A questo punto le gerarchie hanno iniziato una catalogazione delle reliquie relativamente alla loro importanza:

– Reliquie insigni (corpi interi e teste)

– Reliquie non insigni notevoli (una mano o un piede)

– Reliquie non insigni esigue (un dente, un capello)

             E, vista l’iniziale scarsità di esse, in Oriente e non solo si misero su vere e proprie aziende di fabbricazione di reliquie mai andate in crisi per difetto di domanda. Il Vescovo Vitricio di Rouen (tra III e IV secolo) affermò che non vi era nessun male a suddividere le reliquie in pezzi sempre più piccoli in modo che tutti potessero usufruirne visto che in ogni minimo pezzo risiede la stessa forza che nell’unità intera. Per far fronte alla scarsità di reliquie si iniziarono ad individuare frati in odore di santità ed a “promuoverli” come tali per depredare poi tutti i loro averi e farne commercio. Naturalmente la prima cosa che era sottratta era il cadavere medesimo. Questo cadavere veniva poi suddiviso in tanti pezzi per accontentare tutti i vari postulanti. Di Santa Teresa d’Avila, ad esempio, si conoscono oltre 700 pezzi: un vero spezzatino orrendo! Vi erano poi furti e commerci illeciti. Anche la corruzione intervenne ai massimi livelli per fare santi strani ed oscuri personaggi. Un “cacciatore” famoso di reliquie fu Sant’Ambrogio (IV secolo), anticipando il carattere commerciale ed imprenditoriale della città di Milano. E tutto questo fino a quando non si autorizzò da parte del Papa la “replica” delle reliquie, la costruzione cioè di copie che dovevano però prima essere messe in contatto con l’originale per avere la loro efficacia.

            Il massimo di splendore delle reliquie si ebbe con le Crociate. Arrivarono in Europa montagne di esse, la grandissima parte false e comunque sempre pagate profumatamente. Arrivò anche la reliquia di una pietra con l’impronta del piede di Gesù che prese lo slancio (principio di azione e reazione) per elevarsi al Cielo lasciando evidentemente l’impronta dell’atto. Ne arrivò un’altra di un pezzo di tavolo dove si era fatta l’ultima cena. Ma la cosa spettacolare fu certamente quella dello smeraldo incastonato nella coppa in cui Gesù bevve quando istituì il sacramento della Messa. I poveri pescatori palestinesi se la dovevano passare davvero bene! 

             Interpellato sulla vicenda delle reliquie, il Concilio di Trento (XVI secolo) decretò che non è indispensabile la veridicità di una reliquia per venerarla. La cosa fu riaffermata negli anni 60 del XX secolo, in occasione del Concilio Vaticano II, in cui si scrisse: “Seppure in alcuni casi la reliquia non fosse autentica, i fedeli non sbaglieranno nel loro culto, perché lo fanno sempre con la condizione implicita del venerarla come se fosse vera“.

 Ancora magia

            Ci situiamo ora nel Medioevo, in un periodo che vede portato a compimento la presa del potere nell’Impero romano d’Occidente del Cristianesimo, vede l’iniziare e l’evolvere delle Crociate, la nascita ed affermazione della possente cultura araba.

            Vi sono un paio di testi che descrivono il ruolo della magia nella vita quotidiana: il manoscritto di Wolfsthurn (Tirolo) e un manuale di magia nera conservato a Monaco (Baviera), ambedue del XV secolo. In ambedue sono descritti gravi problemi che assillavano la vita della gente: malattie, calamità che colpivano i campi coltivati, topi che infestavano le cantine e le abitazioni. In questi libri, una specie di guida del fai da te casalingo, sono riportate “ricette”, rimedi a malanni vari, modi per conciare le pelli, per fabbricare il sapone, l’inchiostro, … ricette per certi decotti che dovevano curare febbri o malattie. Fin qui non vi sono problemi di sorta è la scienza artigiana. Quando sulle foglie che andavano nel decotto si scrivevano invocazioni alla Trinità, a Dio, ai santi si può pensare ad atti religiosi che già iniziano a entrare in ambiti alchemico-magici. Quando poi una data invocazione o un dato procedimento deve essere ripetuto tre volte tre o sette volte sette (ad una data ora, in certe posizioni, rivolti da una certa parte, indossando una certa cosa, …), entriamo nella numerologia e nella magia. Se si osserva che, con il passare del tempo, in certi ambienti, prende il sopravvento la parte rituale su quella empirico-scientifica, si entra in pieno nella magia. Quando per curare il mal di denti (vedi Kieckhefer in bibliografia), non vi sono più decotti o massaggi o quel che si vuole, ma solo una scritta sulla guancia che richiama Gesù, o Pace, o Dio, … allora il salto è fatto. Allo stesso modo per curare i dolori dovuti alle mestruazioni: si deve scrivere su un foglietto “per Lui, con Lui e in Lui” e mettere tale foglietto nei capelli della donna. Ancora: per curare l’epilessia si tratta la malattia come una cosa separata dal corpo e che dal corpo può essere tolta; si deve legare una fettuccia di pelle di daino intorno al collo della persona colpita, poi parole magiche ancora legate a Trinità, Dio, Spirito Santo; quindi si brucia la fettuccia insieme al cadavere di un animale o persona morta; in questo modo si brucia la malattia e la si relega nel mondo dei morti. Vi sono anche delle vere e proprie formule strane accoppiate ai soliti nomi della Trinità: una di queste formule prevede il copiare sul corpo di un malato le seguenti lettere “P.N.B.C.P.X.A.O.P.I.L.” che non si sa proprio cosa vogliano dire. Altra formula, misto di latino e greco completamente deformati, doveva essere sussurrata all’orecchio del malato:

 “Amara Tonta Tyra post hos firabis ficaliri Elypolis starras poly polyque lique linarras buccabor uel barton vel Titram celi massis Metumbor o priczoni Jordan Ciriacus Valentinus”.

Vi è poi la cura dell’invasato attraverso tre rami di ginepro bagnati tre volte (per la solita Trinità) nel vino rosso, poi farli bollire e metterli sulla testa del povero disgraziato. I richiami alla Trinità rendono tutte queste pratiche accette o comunque non rigettate dalla Chiesa. Ma nascono anche ed insieme altre pratiche in cui non vi è nessun richiamo a fatti o personaggi del Cristianesimo. Per evitare, ad esempio, il malocchio occorre portare con sé un rametto di artemisia; per vederci bene di notte occorre cospargersi gli occhi con sangue di pipistrello, … E fin qui o non si richiama nessuno o si richiamano entità “del bene”. Ed in tal senso questa magia e questo miscuglio di pratiche con fatti religiosi non ha posto problemi alle gerarchie. I problemi nascono dal fatto che qualcuno ha pensato di richiamare anche le forze “del male”, quando non riusciva (e come poteva?) con quelle del bene. Il tentativo è sempre quello, che risale alla notte dei tempi, di invocare entità dotate di poteri sovrannaturali, per curare e sistemare le vicende dell’uomo impotente di fronte a certe cose. Le “ricette” per richiamare i demoni (non diavoli!) in proprio aiuto hanno quei cerimoniali che devono in qualche modo rendere abitabile il luogo dal demone. Devono scomparire i simboli “del bene” e debbono essere pensati simboli che possano essere graditi a tali demoni. Queste pratiche servono a fini un poco diversi. Generalmente per ottenere favori personali, per mandare il malocchio a qualcuno, per far innamorare qualcuno, per avere successo, per arricchirsi, per conoscere il futuro e tentare di modificarlo (ed in questo c’è l’intersezione con l’astrologia). I riti, messe diverse da quella cristiana, prevedono cerchi magici, simboli di cera o di stoffa della persona da danneggiare, sacrifici di animali particolari, fuochi con erbe speciali. Il rituale nel suo complesso è tratto da quello della Chiesa.

Per quanto ci è dato capire e per quanto sostengono vari studiosi si può affermare che quella che cercava cure e rimedi contro fatti che accadevano, la magia naturale, è l’abbozzo, l’inizio confuso e faticoso, di quella che noi oggi chiamiamo scienza; viceversa la magia che evocava i demoni non era distinta dalla religione pur essendone una forma perversa. Ma anche questa definizione è eredità del Cristianesimo. Infatti per i cristiani dell’antichità classica (valga per tutti Agostino), il fatto che i pagani si rivolgessero ai loro dei per chiedere “miracoli” era una invocazione orrenda, era una invocazione di demoni, ben lontani dalla fede del cristiano. Ma anche la Chiesa doveva permettere ai suoi fedeli l’invocazione del miracolo e tal cosa distinse le due magie che in realtà, al di là di quanto si voglia speculare su di esse, discendono da un’unica matrice interpretativa ed evocativa che è precedente al Cristianesimo e che il Cristianesimo ha voluto assumere nel suo credo. Alberto Magno (circa 1250) e Tommaso D’ Aquino (stesso periodo) ammettevano la possibilità della magia naturale, anche se la distinguevano da quella che richiamava i falsi dei, i demoni.

            Riassumendo, con Kieckhefer, si può dire che nel Medioevo la magia aveva diversi cammini: il livello popolare che vedeva la magia come fatto sempre e comunque naturale; il livello colto che prevedeva tre strade, quella che vedeva i demoni (di Agostino) come intermediari, quella che con fatica si ammetteva essere magia naturale (a seguito dell’influsso arabo), e quella che vedeva la paura di scadere nella negromanzia sempre, qualunque fosse la pratica in atto.

            Sembra comunque evidente che le cose dette entrano tutte in un unico filone, quello dell’irrazionale che, in quanto tale, soddisfa tutti. Solo alla razionalità, alla scienza sono dovute prove, esperimenti, sensate esperienze e dimostrazioni. Non solo. Vi sono anche quelli che ci ricamano sopra dicendo che la scienza promette cose mirabolanti e poi non le mantiene e di questo ho discusso nel testo. E pensare che mai uno scienziato ha sostenuto tali cose, cose sostenute proprio da chi la razionalità odia! Invece la metafisica e l’irrazionale vivono tranquilli nei misteri e nell’indimostrabile, con una schiera immensa di creduloni accomunati da un unico denominatore, la poca informazione, le superficiali conoscenze, il rifiuto del vivere insieme per rifugiarsi nell’individualismo, nel “quell’essere soprannaturale” che aiuterà me e non te, nel battere comunque l’altro, quello che magari ti è vicino. Insomma, al di là della squalifica razionale occorre aggiungerne anche una umana e morale. Non si invocano mai santi e prodigi per comunità, ma sempre per individui. E ciò che può far piacere ad un singolo non è mai il benessere di una comunità. In tal senso le pratiche che ho tentato di descrivere sono tutte pratiche prima che irrazionali, asociali ed amorali. Stupisce l’ateo come me nel vedere che molte di esse non solo sono tollerate ma addirittura favorite dalla Chiesa di Roma!

NOTE

(1)Nelle biografie di vari scienziati famosi compaiono spesso leggende che dovrebbero far capire meglio alcune cose da loro elaborate o fatte o pensate. Così vi è la leggenda di Archimede che, trovato il modo di capire quanto oro vi fosse nella corona di Gerone, il tiranno di Siracusa che sospettava di essere stato derubato dall’artigiano che gliela aveva costruita, saltò fuori dalla vasca da bagno dove si trovava e si mise a correre nudo attraverso la città gridando Eureka, eureka, … (Ho trovato, ho trovato, …). Vi è poi quella di Einstein che non avrebbe amato la matematica da giovane studente e quindi aveva brutti voti. Si ha ancora quella di Galileo che sarebbe salito sulla Torre di Pisa per far cadere degli oggetti di massa diversa per verificare che essi cadono con la medesima legge arrivando al suolo al medesimo tempo (non sembra sia mai stata fatta tale esperienza dalla Torre). Infine (ma solo per ciò che racconto qui) vi è la storiella di Newton che avrebbe scoperto la sua Legge di gravitazione universale quando, riposando in giardino sotto un frondoso melo, sarebbe stato colpito sulla testa da una mela caduta.

          L’episodio riguardante Archimede (III secolo a.C.) lo si trova nel De Architectura di Marco Vitruvio Pollione (I secolo a.C.). Archimede, entrando nella vasca da bagno, vede l’acqua trasbordare e con questo sistema pensò di misurare quello che oggi chiamiamo il peso specifico (disponendo di due quantità di oro e di argento, dello stesso peso, immergendole in un recipiente colmo d’acqua, l’argento ne fa trasbordare di più). Scoprì così che la corona del tiranno non era tutta d’oro ma costruita con una lega di argento ed oro. Duecento anni dopo con le scarse fonti e le incerte trasmissioni del periodo, possiamo dare per buono questo racconto? Non credo si possa dire nulla a parte il fatto che, conoscendo quel poco che si conosce della vita di Archimede e della sua immensa razionalità, l’episodio, almeno per la parte relativa alla corsa per la città nudo, non sembra credibile.

La leggenda di Einstein la si può capire sia come un mantra consolatorio degli infiniti personaggi che si vantano di non conoscere la matematica (ogni persona si vergognerebbe di dire che non conosce Dante ma si vanta di non conoscere Talete) e come informazione distorta degli anni della formazione di Einstein. Quando aveva 7 anni (1886) sua madre, Pauline, scrisse a sua madre (nonna di Albert) queste parole: “Ieri Albert ha ricevuto la pagella che era brillante: è di nuovo il primo della classe“. A nove anni (1889) Albert passò al Luitpold Gymnasium di Monaco dove studiò fino ai 15 anni. In tutto quel periodo ebbe i voti massimi o quasi sia in matematica che in latino. Nel complesso però quegli anni di scuola non gli piacquero perché gli insegnanti erano autoritari, gli studenti servili e l’apprendimento era mnemonico. In quell’ambiente si sentiva isolato ed ebbe pochissime amicizie. Passò il tempo libero studiando matematica in proprio e musica (violino). A dodici anni studiò da solo la geometria euclidea (il suo sacro libretto). Fra i dodici ed i sedici anni studiò da solo il calcolo differenziale ed integrale. Einstein non ebbe quindi fin qui una buona esperienza scolastica. Era tormentato dalla scuola nozionistica ed autoritaria. Per riuscire ad entrare al Politecnico di Zurigo dovette frequentare un anno una scuola svizzera che faceva conseguire il diploma di maturità. Si iscrisse allora (1895) alla Scuola di Aarau, appunto in Svizzera. La parentesi nella scuola democratica di Aarau, i cui insegnamenti erano impartiti sulla base delle teorie del pedagogo svizzero J.H. Pestalozzi (1746-1827) sarà sempre ricordata da Einstein come estremamente positiva.

Sull’esperimento della Torre di Galileo vi è ben poco da dire. Non vi sono documenti che lo attestino e lo stesso Galileo, che pure era meticolosissimo a raccontare le sue cose, non ne parla. Ne parlano invece i suoi denigratori cattolici che prima lo citano per poi dire che non l’ha fatto (che gente!).

Riguardo a Newton, secondo la leggenda, avrebbe scoperto la gravitazione universale vedendo una mela cadere da un albero del suo giardino. Newton avrebbe ragionato così: come una mela cade perché attratta dalla Terra, anche la Luna è legata alla Terra a seguito dell’attrazione che quest’ultima esercita sulla Luna. E ciò vuol dire che se Newton non vedeva cadere una mela, restavamo senza uno dei più grandi successi scientifici della storia. Non bastava vedere cadere dei piatti che sua sorella trasportava. Vi sono personaggi che lavorano solo per far diventare la scienza un luogo di aneddoti e, dato che il pubblico sa poco, la scienza sparisce e l’aneddoto rimane. Comunque questa cosa è una sciocchezza e basta. Su questa leggenda ho trovato documenti precisi e commenti adeguati in proposito. Dell’episodio parla uno dei primi biografi di Newton, il suo contemporaneo William Stukeley (1687-1765). Stukeley era un antiquario, uno dei fondatori della scienza archeologica (studiò a fondo Stonehenge), che nel corso della sua vita conobbe e divenne amico di Newton. Del grande fisico egli raccolse le memorie, Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life, che pubblicò nel 1752. All’interno di queste memorie, alla pagina numerata con 15 del manoscritto, è riportato l’episodio della mela che sarebbe stato raccontato a William Stukeley durante una conversazione con Newton. Leggiamo, in traduzione, il breve passo:

Dopo cena andammo a bere un thea in giardino, sotto un melo, ed egli mi disse che era proprio in una situazione analoga quando, molto tempo addietro, la nozione di gravitazione gli era balenata nella mente. La cosa era stata originata dalla caduta di una mela mentre era seduto e stava riflettendo. Perché avviene che le mele cadono sempre perpendicolarmente a terra? egli pensò tra sé e sé. Perché non cadono a zig zag o non vanno verso l’alto ma costantemente verso il centro della Terra? La ragione risiede certamente nell’attrazione della Terra. Ci deve essere una forza attrattiva nella materia.

[Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life (Editor Hastings White,1936) pp. 19-20].

 Si può facilmente osservare che la mela è assolutamente marginale. L’episodio che veniva ricordato era distante nel tempo e Newton tentava di spiegare in un modo didatticamente efficace come gli era venuto di pensare al fatto che la Terra attrae gli oggetti. Tra l’altro non è improbabile che l’episodio sia stato inventato da Newton a tanti anni di distanza dopo aver avuto molte esperienze che lo avevano costretto a spiegare la gravitazione ad un differente pubblico. Tralasciando alcune spiegazioni che si sono avute legate alla profonda religiosità di Newton e secondo le quali la mela serviva al suo racconto come una sorta di parabola che riportava all’albero biblico della conoscenza, resta il fatto che sembra davvero esagerato parlare dell’episodio della mela come dirimente epistemologicamente sulla scelta di una teoria.

(2) La prima teoria del calore, chiamata del flogisto, fu sviluppata, in ambito chimico, da Georg Ernst Stahl (1660 – 1734) nella sua Experimenta, observationes, animadvertiones chymicae et physicae del 1697. Il flogisto, da non confondersi con il fuoco visibile e/o materiale, è un elemento imponderabile ed inafferrabile che tutti i corpi combustibili racchiudono in sé (zolfo, carbone, olii, fosforo, …). Quando inizia la combustione il flogisto rompe la sua unione con i corpi in cui è costretto e si libera con la conseguenza del cambiamento delle proprietà delle sostanze in cui era racchiuso. Il flogisto sfugge alle normali definizioni che si danno di materia: esso non è dotato né di peso né di compattezza, ma sembra avere un volume.

Certamente il flogisto era ritenuto alla base di tutte le proprietà chimiche e fisiche delle sostanze, come l’odore ed il colore Questa teoria fu molto utilizzata in chimica e veniva aggiustata al presentarsi di reazioni nuove. Non turbava alcuna precedente teoria o scuola di pensiero (ognuno la modificava secondo quanto riteneva meglio) e fu mantenuta per lungo tempo. Fu soppiantata da un’altra teoria, in gran parte sovrapponibile, quella del calorico. E già, sul finire del Settecento, la teoria del calore che andava per la maggiore era proprio quella del calorico. E’ sempre facile sorridere di una teoria del passato mostratasi non rispondente ai fatti sperimentali ma anche oggi sfido gran parte delle persone colte a spiegarci cosa è il calore. All’epoca era ritenuta una sostanza fluida, il calorico, in grado di penetrare nei corpi. In tal caso il corpo aumentava di volume perché era entrata dell’altra sostanza ed in più si scaldava proprio perché vi era entrato del calorico. Viceversa con il raffreddare: del calorico era uscito dalla sostanza con la conseguente diminuzione di volume della medesima. Il calorico veniva trattato come un fluido nel fenomeno dei vasi comunicanti. Un’esplosione, ad esempio, era pensata come un evento liberatore di calorico, in quanto da essa si produceva molto calore. Insomma, tutti i fatti noti entravano in questa spiegazione e non si sentiva la necessità di una teoria alternativa. Il problema si pose a Rumford. Egli, che lavorava con armi da fuoco, aveva notato un qualcosa di straordinario: un cannone che sparava con la palla in canna risultava, dopo l’esplosione, meno caldo di un cannone che sparava a salve. Cosa accadeva? La cosa sembrava incomprensibile e comunque non in accordo con la teoria del calorico. Rumford fu tentato di abbracciare una teoria sul calore che anni prima aveva letto, quella dell’olandese Boerhaave che, nel suo Trattato sul fuoco (o Trattato di chimica flogistica) del 1732, aveva sostenuto che il calore, come il suono, era il prodotto della vibrazione di un corpo. Con questa teoria l’osservazione sul cannone si sarebbe spiegata: quando non c’era la palla il calore poteva espandersi più liberamente a velocità maggiore con la conseguenza di un maggior riscaldamento della canna del cannone medesimo. Questa sua insoddisfazione per la teoria del calorico e la conseguente adesione a quella del calore come vibrazione lo spinsero ad approfondire le ricerche sulla natura del calore. Fu fortunato perché il suo incarico alle dipendenze dell’elettore di Baviera lo portò ad occuparsi dell’artiglieria ed in particolare dell’alesatura dei cannoni. Fu qui che poté cercare il confronto fra le due teorie (calore come sostanza o come vibrazione?). Scriveva Rumford:

Se l’esistenza del calorico fosse vera, sarebbe assolutamente impossibile per un corpo … comunicare continuamente questa sostanza ai vari altri corpi da cui è circondato senza che un po’ alla volta questa sostanza si esaurisse completamente. Una spugna piena d’acqua e appesa per un filo nel centro di una stanza piena di aria secca comunica, è vero, la sua umidità all’aria, ma presto l’acqua evapora e la spugna non può più cedere umidità. Invece una campana suona senza interruzione quando è colpita ed emette il suono tutte le volte che vogliamo senza la minima perdita percepibile. L’umidità è una sostanza, il suono no. È ben noto che due corpi rigidi strofinati l’uno contro l’altro producono molto calore. Possono forse continuare a produrne senza consumarsi? Lasciamo decidere ai risultati dell’esperimento.

E’ con queste idee che Rumford iniziò a studiare scientificamente l’alesatura dei cannoni.

BIBLIOGRAFIA

AA.VV. – Io e gli altri – La Ruota 1974/1975

AA.VV. – Ciencias aplicadas – Bruguera, Barcelona 1980

AA.VV. – El porqué de las cosas – Susaeta, Barcelona 1975

D. Berretta, R. Costa – La apasionante historia de los grandes inventos – Juventud, Barcelona 1967

P. Boulanger – Le mille e una notte della scienza – Dedalo 1999

G. Caprara, L. Belloni – La scienza divertente – Rizzoli 2002

F. Cernuschi, E. Cernuschi – Enseñando fisica mediante experimentos – Eudeba, Buenos Aires 1973

Andrea Frova – Perché accade ciò che accade – Rizzoli 1995

Andrea Frova – La fisica sotto il naso – Rizzoli 2001

Andrea Frova – Ragione per cui – Rizzoli 2004

Rudolf F. Graf – Juegos y experimentos eléctricos – Labor, Barcelona 1982

P. Ghose, D. Home – Il diavoletto di Maxwell – Dedalo 1993

Amadeo Guillemin – El mundo Fisico – Montaner y Simon, Barcelona 1882

Heinz Haber – La storia del nostro amico atomo – Mondadori 1958

Judith Hann – Los amantes de la ciencia – Blume, Barcelona 1981

James Kakalios – La fisica dei supereroi – Le Scienze 2009

P. Karlson – La fisica di Karlson – Hoepli 1945

R. Kieckhefer – La magia nel Medioevo – CDE, Milano 1993

Franz von Krbek – Fisica vissuta – Mediterranea 1948

Giuseppe Mannelli – Cento giochi con la fisica – Olimpia 1960

J.P. McEvoy, Oscar Zarate – Hawking para principiantes – Era naciente, Buenos Aires 1996

A. Méndez – El taller de los experimentos – Labor, Barcelona 1977

Y. Perelman – Fisica recreativa – MIR, Mosca 1975

Y. Perelman – Problemas y experimentos recreativos – MIR, Mosca 1975

I. Podendorf – 101 esperimenti scientifici – Mursia 1960

William Rankin – Newton para principiantes – Era naciente, Buenos Aires 1995

Roberto Renzetti – La relatività da Aristotele a Newton – AIF, Roma 1980

Roberto Renzetti – Conversazione sulla fisica intorno a noi – in AA. VV. –  Tradizione ed innovazione, Liceo italiano di Barcellona 1991

Rosa Rinaldi Carini – Scoprire la scienza – Zanichelli 1978

Gaston Tissandier – Recreaciones cientificas – Alta Fulla, Barcelona 1981

Tom Tit – La ciencia divertida – Calamus Scriptorius, Barcelona 1981

Armando Todeschini, Ilario Piccolo – Il grande libro della Scienza – Mondadori 1976

Janice P. VanCleave – Juegos de fisica – Labor, Barcelona 1987

Zammarchi, Baresi – 1000 facili esperienze di fisica – La Scuola 1947

WEBOGRAFIA

[Avverto che ogni riferimento a files “fisicamente.net” è a files ormai inesistenti, rubati da un accordo tra Aruba e qualche banda di ladri giapponesi]. A volte gli articoli che erano in quei files li ho potuti recuperare e qund li ho pubblicati in fisicamente.blog.

Roberto Renzetti – Astrologia, alchimia, magia, religione (miracoli) http://www.fisicamente.net/SCI_FED/index-77.htm

Roberto Renzetti – Huygens che corrobora ed amplifica Galileo http://www.fisicamente.net/FISICA/index-1593.htm http://www.fisicamente.net/FISICA/index-1595.htm 

Rispondi

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: