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?
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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? |
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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. |
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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". |
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Direi che quindi l'approccio più conveniente dovrebbe essere:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 |
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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 ..). |
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Sono semplici esercizi di "equivalenza" non mi ci
soffermo oltre.
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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. |
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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. |
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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".
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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. |
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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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