Fisica - dispense
Unità di misura - rappresentazioni grafiche

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Comincerei con un piccolo pistolotto "motivazionale".
Perché studiamo la fisica? A che serve? e subito dopo "COME DOBBIAMO STUDIARLA ?"
La "fisica" studia la natura ("physica" in latino è appunto "natura") ... sin dai tempi più antichi l'umanità si è divisa in chi accetta quello che succede e gli va bene così, e chi invece cerca di capire il "perché" delle cose.
Per carità, si può vivere anche senza capire nulla di ciò che ci circonda (in realtà tutti noi abbiamo una specie di "limite" .. sino ad un certo punto ci interessiamo, poi ci accontentiamo che la cosa funzioni e andiamo di fede), ma diciamo che è abbastanza intuitivo capire che se non capisco nulla di ciò che mi sta intorno difficilmente avrò i mezzi per risolvere un problema quando le cose non vanno come sono abituato a vederle.
Semplicemente non ho "i dati" su cui provare ad elaborare un ragionamento per risolvere il mio problema.
Dovrò quindi affidarmi ad altri che me lo risolvano, sarò quindi semplicemente meno "autonomo".
I primi filosofi interpretavano la natura (cioè quello che si trovavano davanti) cercando di identificare delle regole che spiegassero quello che succedeva.
Serviva?
Faccio un esempio semplice, parlando di scienza e "astrologia".
Immagino voi abbiate sentito parlare di quella roba che a seconda di come sono messi i pianeti e il sole qualcuno ti predice il futuro facendo oroscopi.
La domanda è ... ma è possibile prevedere il futuro osservando il sole e le stelle?
Ci credereste? La risposta è ... SI.
Però, vediamo di che "futuro" stiamo parlando.
Supponete di essere un contadino dell'antico Egitto, che semina, raccoglie, stiva, lavora ... Tutti i giorni sono uguali .. un giorno c'è qualche nuvola, un giorno c'è vento, un giorno magari piove ...
Qual è il "futuro" che mi interessa?
Mi interessa sapere se nei prossimi giorni verrà caldo o freddo, se il Nilo allagherà le mie terre, se devo seminare o raccogliere ...
Come faccio a saperlo?
Guardo il calendario, ovvio ....
Ma il calendario?
Pensate che un contadino dell'antico Egitto avesse consapevolezza di una cosa così semplice (per noi) come il "che giorno è oggi"?
Fortunatamente c'era della gente strana, curiosa, affascinata dal cielo, che invece di limitarsi a guardarlo e addormentarsi, perdeva tempo a disegnare la posizione delle stelle .. e con gli anni si resero conto che quando il Nilo straripava le stelle erano diverse da quando invece era in secca ... osservarono il movimento del Sole e "mapparono" il cielo con le costellazioni.
In questo modo si accorsero che il Sole durante un anno (ovvero in un "ciclo" agricolo) si ritrovava sempre nelle stesse posizioni e in pratica erano in grado di sapere, semplicemente "che giorno è".
Oggi ci sembra poco, ma all'epoca era sufficiente per fare di loro dei personaggi indispensabili per la sopravvivenza della società.
Quando si cominciò a costruire opere in muratura (pensate non solo ai palazzi, ma anche agli acquedotti, che permettevano di avere acqua nelle città anche quando il fiume era in secca) fu indispensabile il "sapiente" che sapeva come mettere le pietre per fare strutture capaci di far scorrere l'acqua come si voleva (e non semplicemente andarla a recuperare dov'è).
Quindi conoscere o non conoscere la fisica non impedisce di vivere, ma ti fa cambiare la "posizione" in cui vivi.
Puoi esser quello che adora come un "mago" il tipo che ti dice che giorno è, oppure capire che la Terra gira intorno al Sole e che ciclicamente ce lo fa "vedere" all'interno di un gruppo di stelle particolari, sempre le stesse, sempre nella stessa stagione.
L'altra domanda è COME DOBBIAMO STUDIARE LA FISICA?
La risposta è piuttosto semplice:
Nel tempo si è passati da uno studio "descrittivo" ad una rappresentazione "quantitativa".
Cioè oggi non ci accontentiamo più di dire che i "corpi lasciati a se stessi cadono verso il basso" (come faceva Aristotele nell'antica Grecia), ma ci siamo presi la briga di calcolare con che "accelerazione" cade, che velocità raggiunge, che effetto farà quando toccherà il suolo ...
Per fare ciò il nostro obiettivo è stato quello di riuscire a spiegare la fisica con formule matematiche.
Questo ci permette di non fare complicati ragionamenti filosofici, ma dei semplici calcoli.
Si, sembra incredibile, ma spiegare la fisica con la matematica è molto più semplice che spiegarla in un qualsiasi altro modo.
Non solo... quando la rappresentazione matematica contraddiceva in qualche modo l'esperienza ... si è scoperto che "aveva ragione la matematica".

Direi che quindi l'approccio più conveniente dovrebbe essere:

  1. Una buona dimestichezza con le regole di base della matematica, cosa che ci permetterà di non imparare a memoria come capre mille formule e relative formule inverse, ma due o tre relazioni fondamentali da cui con pochissima fatica ricaveremo di volta in volta quello che ci serve. Per capirci il concetto di "formula inversa" è da dimenticare.
  2. Dobbiamo fare bene i calcoli, controllarli .. e poi CREDERE in quello che abbiamo fatto. Nel tempo ho notato che l'ostacolo più grosso alla comprensione della fisica è la convinzione che ci siano cose più complicate di quelle (semplici) che abbiamo capito.
  3. Assolutamente non dobbiamo pensare che esistano "scorciatoie" che ci permettano di non ragionare sulle cose. Ogni situazione va compresa ed ogni situazione è diversa da ogni altra. Ritengo stupido (e oltretutto molto più faticoso) cercare di imparare le soluzioni di TUTTI I TIPI DI PROBLEMI. L'approccio corretto è comprendere con cosa abbiamo a che fare e risolvere ogni problema senza "saltare" alcun passaggio.
  4. Un problema di fisica si risolve in genere semplicemente descrivendolo... lo vedremo ... Scrivo tutte le relazioni che descrivono le cose con cui ho a che fare ... poi vado a vedere quante cose non conosco (le incognite).
    La matematica mi dice che se io ho tante relazioni indipendenti (cioè che dicono cose diverse) quante sono le incognite, mettendo a "sistema", sarà possibile trovare una (o più) soluzione.
     

Dobbiamo quindi vedere la matematica più come una "lingua" che ci permette di capire il mondo tecnico (e naturale).
Per chi ha basi ragionevoli di matematica lo studio della fisica è piuttosto semplice.
Per chi non riesce a "trasportare da una parte all'altra del segno di uguale" (espressioni veramente brutta, ma è quello che mi sento dire dagli studenti) i termini di un'equazione, studiare la fisica è come cercare di capire un libro scritto in coreano (ovviamente se non si conosce il coreano).

LE UNITA' DI MISURA

Volendo, come si è detto, "quantificare" le cose, occorre ovviamente dotarsi di quelle che sono le "unità di misura". cioè delle grandezze di riferimento con cui confrontare le cose che vogliamo appunto "quantificare", cioè misurare.
Dopo un periodo storico piuttosto lungo in cui le unità di misura derivavano da grandezze "antropometriche" (parolaccia che vuol dire semplicemente "misurare sull'uomo" dal greco ανθρωπoς - anthropos - uomo e μετρoν - metron - misura) e quindi si utilizzavano pollici, piedi, spanne, braccia .... con la prima conferenza internazionale sui pesi e le misure del 1889 ( e poi successivamente aggiornate - l'ultima è stata nel 2018) si sono definite unità fondamentali derivate dalle caratteristiche del nostro pianeta.
Così il metro che è la millesima parte del km, che a sua volta è uguale ad un primo di grado centesimale misurato sulla superficie terrestre (si prende la distanza tra l'Equatore e il Polo e la si divide in 100g GRAD (o "gon" o "gradienti") e poi successivamente ogni GRAD in 100 primi - questa è la misura del kilometro - se dividiamo la stessa distanza in 90° gradi sessagesimali e poi successivamente ogni grado in 60 primi abbiamo la misura del MIGLIO MARINO).
Il litro è semplicemente un cubo di lato un decimo di metro (un decimetro cubo) e il kg la massa di un litro d'acqua.
Per il tempo è un po' più difficile perché bisogna far tornare i conti con i movimenti di rotazione e rivoluzione della Terra intorno al Sole ...
Come tutti sappiamo si parte dal giorno (cioè il tempo che intercorre tra il vedere il Sole nella stessa posizione (tipo a mezzogiorno) due volte consecutivamente e poi si parte a dividere.
Si divide in 24 ore, ognuna in 60 minuti e quindi in 60 secondi.
Questo modo di dividere potrebbe sembrar un po' strano, a noi abituati a lavorare con il sistema decimale, ma in realtà era molto comodo, perché il 60 si divide meglio del 10 o del 100 per i valori che si utilizzano normalmente (60 è divisibile per 2, per 3, per 4, per 5, per 6 ....) e così il 24 ...
Qui trovate una tabella con le grandezze fisiche fondamentali - suggerisco di scaricarla e stamparla, potrà tornare utile.

Per quello che facciamo ora ci bastano le definizioni di metro, kg (o grammo, che ne è la millesima parte) e secondo.
Dobbiamo ovviamente ogni volta che ci troveremo a dover interpretare un problema, capire con quali grandezze abbiamo a che fare e di volta in volta fare tutti i passaggi che servono per lavorare con grandezze OMOLOGHE (cioè dello stesso tipo - se lavoriamo con i kg e abbiamo una misura in libbre, prima di utilizzarla dobbiamo riportarla al suo valore in kg. Può sembrare una ovvietà ma non lo è .. il primo rendez vous spaziale tra una navicella sovietica e una americana non ebbe successo perché le misure del portellone uno l'aveva in pollici  e l'altro in cm ..).


Sono semplici esercizi di "equivalenza" non mi ci soffermo oltre.
 

LE RAPPRESENTAZIONI GRAFICHE

A noi esseri umani viene più facile "leggere" delle figure che non interpretare dei numeri.
Esattamente al contrario di un computer, che non ha alcuna difficoltà ad elaborare tabelle con infiniti numeri, a noi un tabulato pieno di valori ci fa venir mal di testa, mente una figura ci da immediatamente delle indicazioni utili ed utilizzabili, senza far fatica.
E' proprio per NON FAR FATICA che preferiamo rappresentare i fenomeni fisici con dei grafici piuttosto che con delle tabelle di numeri.
Ad esempio nel grafico raffigurato a lato vediamo immediatamente che il nostro oggetto è andato in avanti a velocità costante sino al punto P1 (cioè ha percorso la distanza LP1 nel tempo tP1)poi ha cominciato a rallentare (difficile vederlo da una tabella, ma dal grafico lo vediamo perché la linea non è più "diritta" ma comincia a curvarsi) sino a raggiungere il punto P2 (distanza LP2 all'istante tP2) e poi , dolcemente, ha cominciato a tornare indietro ...
Così vediamo che tra P3 e P4 è tornato indietro a velocità costante, poi ha rallentato (in retromarcia) è arrivato al limite di P5 e poi è di nuovo avanzato e via così ...
In P9 vediamo che ha cambiato senso di marcia bruscamente.
In P10, attenzione, il nostro grafico non ci dice che l'oggetto si ferma, ma solo che abbiamo smesso di osservarlo.
Un altro artificio grafico che si utilizza in fisica è la rappresentazione mediante "vettori" delle grandezze che in qualche modo si devono relazionare ad uno spazio pluridimensionale(che non è una roba da fantascienza, sta solo a significare che se ci muoviamo su una retta per definire qualcosa ci basta un su e giù o un meno e un più, ma se le dimensioni sono più di una, ad esempio il piano o lo spazio, occorre anche il destra e sinistra, alto basso, avanti e indietro ... e quindi di nuovo per visualizzare quello di cui stiamo parlando i numeri da soli diventano scomodi.).
Questi "vettori" altro non sono che frecce con direzione e verso nel senso coerenti con la grandezza (ad esempio uno spostamento) e lunghezza proporzionale alla "misura" della grandezza.
Nel caso più semplice dello spostamento il vettore è una freccia con la coda nel punto in cui lo spostamento è iniziato e la punta dove è finito.
Se fosse una forza, sarebbe una freccia nella direzione in cui la forza agisce (come "tira" o come "spinge" e di lunghezza proporzionale all'intensità della forza).
La linea lungo cui giace un vettore si dice "direzione", la posizione della punta rispetto alla coda da il "verso" e la lunghezza della freccia ne è il "modulo".
Ad esempio nella figura a fianco il vettore è rappresentato dal segmento 0A, mentre i segmenti 0C (Vy), 0E (Vx), 0D (Vz) e 0B(Vxy) sono rispettivamente le proiezioni (o i componenti) del vettore sugli assi Y,X e ZA e sul piano XY.
Detto così può sembrare una cosa complicata, in realtà diventa chiara e forse anche "semplice" se consideriamo che un vettore è la somma dei suoi componenti.
Cioè, ed è un concetto su cui è bene riflettere un attimino, perché se lo si comprende il resto viene abbastanza facile, se non lo si capisce tutto quello che viene dopo diventa incomprensibile e si va di atti di fede, UN VETTORE E' LA SOMMA (vettoriale) DEI SUOI COMPONENTI (tra un attimo vediamo che questo non vuol dire solo una somma di numeri) e gli effetti su ogni piano - asse sono tra loro indipendenti.
Cioè se io voglio arrivare al punto A partendo da 0 posso andare da 0 a C, percorrendo la componente lungo l'asse Y, poi spostarmi da C a B, secondo la componente sull'asse X, e poi finalmente salire da B ad A percorrendo la componente lungo l'asse Y.
Che io faccia uno spostamento prima dell'altro è assolutamente indifferente, alla fine arrivo su A.
Nella dispensa 7 ad esempio si fa il caso di un moto bidimensionale (proiettile che viaggia a velocità costante in orizzontale ed è sottoposto alla forza di gravità verticale che lo accelera verso il basso),
Il primo passo è crederci ... il fatto che il proiettile cada non ha alcuna influenza sul suo moto orizzontale, e il fatto che abbia una velocità orizzontale non fa alcuna differenza rispetto alla sua caduta.

Per utilizzare facilmente i vettori abbiamo bisogno di funzioni matematiche particolari, dette "trigonometriche".
Le nozioni fondamentali di trigonometria le ho raccolte nella dispensa 1 di Matematica, sono funzioni che collegano le misure dei lati di un triangolo rettangolo alle ampiezze degli angoli nei vertici. Sono molto utilizzate in tantissime discipline, e rendono semplici problemi che altrimenti potrebbero essere quasi impossibili.

COME SI RISOLVONO I PROBLEMI

Come ho detto prima, un problema di fisica si risolve isemplicemente descrivendolo...
Scrivo tutte le relazioni che descrivono le cose con cui ho a che fare ... poi vado a vedere quante cose non conosco (le incognite).
La matematica mi dice che se io ho tante relazioni indipendenti (cioè che dicono cose diverse) quante sono le incognite, mettendo a "sistema", sarà possibile trovare una (o più) soluzione
Qui di seguito un semplice esempio.
L'esempio ha lo scopo di farvi vedere che posso trovare una soluzione matematicamente "complicata", nel senso che la forma con cui si esprime il risultato non è proprio "intuitiva" e col ragionamento ci avrei perso un po' di tempo ad arrivarci, ma che una volta semplicemente "descritto" il problema (le relazioni con cui lo descriviamo le impareremo nei prossimi capitoli, per ora semplicemente fidatevi), smettiamo di ragionare e lasciamo che sia la matematica a portarci alla soluzione.
 
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