Report del viaggio in Sicilia degli alunni del Liceo Scientifico

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Facendo seguito ad una collaborazione intrapresa lo scorso anno con il Prof. Salvatore Esposito su suggerimento del Dr. Angelo Pagano della Sezione di Catania dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l'Istituto Superiore "Galileo Ferraris" di Acireale (Ct) - nelle persone del Prof. Mario Grasso e del Dirigente Prof.ssa Patrizia Magnasco - ha invitato il nostro Istituto a partecipare alla manifestazione "LAB Ferraris – Percorsi interattivi di scienze, costruzioni  e tecnologie", che quest'anno giunge alla sua decima edizione. L'occasione è stata propizia per il nostro Istituto per visitare non solo la mostra di divulgazione scientifica organizzata dal "Ferraris", ma anche altre eccellenze (scientifiche e non) della Sicilia, tra cui i Laboratori Nazionali del Sud dell'I.N.F.N. di Catania e l'Osservatorio solare dell'Università di Catania. A tale esperienza hanno partecipato - dallo scorso 30 novembre al successivo 5 dicembre - gli alunni di due classi del Liceo Scientifico, la III Q e la III R, accompagnati dai docenti S. Esposito, M.R. Vacca e V. Cirillo. Al ritorno in Istituto, gli alunni hanno presentato delle relazioni scientifiche su temi prestabiliti, unitamente a fotografie scattate sul posto. Su indicazione del nostro Dirigente, Prof.ssa Rossella Tenore, i migliori lavori vengono qui di seguito riprodotti.

 

Le frontiere della Scienza

Onde gravitazionali

La scoperta delle onde gravitazionali ha portato a un cambiamento del modo di concepire il campo gravitazionale: la concezione che avevamo di gravità, ovvero quella trasmessaci da Newton, è stata modificata da Einstein, il quale introdusse il concetto di emissione di onde gravitazionali.

Galileo Galilei è stato il precursore della moderna astronomia, ovvero dell’astronomia delle onde elettromagnetiche. Egli nacque in un periodo in cui era radicata la teoria geocentrica e ci dimostrò che non sempre vale l’ipse dixit, ma è più importante ciò che si osserva negli esperimenti. Così, Galilei potenziò il cannocchiale, inventato nel 1608 probabilmente dal tedesco Hans Lippershey, e lo puntò verso il cielo, individuando, attorno a Giove, 3 nuovi corpi celesti mai visti prima. La moderna astronomia ebbe inizio proprio allora, il 7 gennaio 1610, giorno in cui Galilei osservò per la prima volta i satelliti di Giove con Simon Marius. Da tre, i corpi celesti divennero quattro e furono detti “satelliti medicei” (Io, Ganimede, Europa e Callisto), dedicati alla famiglia de Medici. Galilei capì che Giove è come un piccolo sistema solare, con dei “pianetini” che gli ruotano attorno, evidenziando i primi segni dell’universalità della gravitazione. In seguito Newton sistematizzò questi movimenti di corpi minori intorno a un corpo massivo, interpretandone i moti, compreso quello dei sassi che sono attratti dal suolo, con un’unica equazione: l’equazione della gravitazione universale, ovvero F = G m1 m2/r2. Con questa singola equazione, Newton riuscì a spiegare tutti i moti dell’universo, permise di determinare la posizione dei corpi celesti in un certo istante di tempo e, addirittura, aprì la strada al lancio di satelliti e razzi nello spazio.

L’astronomia che si sta sviluppando adesso, però, non è più basata sulla vista, ma sull’“udito”: l’obiettivo di questa nuova astronomia è di rivelare le vibrazioni dello spazio, ovvero le onde gravitazionali. Come già detto, non è la teoria di Newton, ma quella di Einstein che ci ha portato alla scoperta delle onde gravitazionali. Einstein sviluppò la teoria della relatività generale, pubblicata nel 1915, in cui ipotizzò che lo spazio-tempo non fosse piatto, bensì si curvasse in presenza di materia: se due fasci di luce incontrassero il Sole, devierebbero la loro traiettoria, così come i pianeti non si muovono su una retta, ma ruotano intorno al Sole. L’equazione della relatività generale, quindi, enuncia che la geometria dipende, tramite la costante della velocità della luce, dalla presenza della massa e dell’energia nell’universo. John Archibald Wheeler riassunse questa teoria in una singola frase: “lo spazio-tempo deformato dice alla materia come muoversi”.

La teoria della relatività generale di Einstein fu in seguito dimostrata da Arthur Eddington, tramite un esperimento che ebbe luogo nel 1919: Eddington organizzò una spedizione presso Sao Tomè e Prìncipe per il giorno 29 maggio, quando sarebbe stata visibile un’eclissi totale di Sole. Secondo la teoria di Einstein, una stella visibile in prossimità del sole, sarebbe dovuta apparire in una posizione leggermente più lontano verso l’esterno, poiché la luce sarebbe dovuta essere deviata leggermente dal campo gravitazionale generato dalla massa solare. Durante l’eclissi, le condizioni metereologiche non erano ottimali e la visibilità era limitata; nonostante ciò Eddington attestò di aver misurato una “macchia” che forniva dei risultati in accordo con quelli di Einstein. La validità dell’esperimento fu controversa e messa in dubbio. La prima vera dimostrazione della teoria di Einstein fu la spiegazione del moto di precessione del perielio di Mercurio (la rotazione del punto più vicino al Sole dell’orbita di Mercurio): il pianeta avanza più velocemente di quanto previsto dalla teoria di Newton e, questo fenomeno, è spiegabile solo tramite la teoria della relatività generale. Un’altra conferma più recente è stata l’effetto di lente gravitazionale, per il quale la luce emessa da una sorgente lontana, transitando nelle vicinanze di un oggetto molto massiccio, può essere deviata, con un effetto che può sdoppiare l’immagine della sorgente. Se il corpo vicino al quale transita la luce è molto massiccio, la deformazione sarà più pronunciata.

Alla morte di una stella si vanno a formare corpi sempre più densi e massicci, come le nane bianche, le stelle di neutroni, fino ad arrivare ai buchi neri. Nel buco nero, la densità è talmente elevata, che nemmeno la luce è capace di fuggire dal suo campo gravitazionale: possiamo determinare, tramite un’equazione, che la velocità per far uscire un corpo dal campo gravitazionale terrestre deve essere superiore a 11.2 km/s; da questa stessa equazione è emerso che la velocità di fuga di un corpo da un buco nero deve essere superiore a quella della luce (300000 km/s). Nessun corpo può, quindi, sfuggire dai buchi neri. Le onde gravitazionali sono l’unica fonte d’informazione riguardo i corpi che non emettono luce, come i buchi neri. Per poter rivelare le onde gravitazionali, però, bisogna misurare un’espansione e una successiva contrazione della materia: tale contrazione è talmente piccola, da essere stata considerata irrilevante da Einstein stesso. Einstein, però, aveva sottovalutato l’importanza di alcuni fenomeni naturali, che hanno poi permesso di rivelare le onde gravitazionali.

La rivelazione delle onde gravitazionali è significativa sia come conferma della teoria della relatività generale, sia per ottenere ulteriori informazioni riguardo il Big Bang. Per poter rivelare le onde gravitazionali, si intuì la necessità di un risuonatore, un oggetto che oscillasse alla frequenza delle onde. Quest’oggetto deve essere capace di percepire variazioni  della distanza di un corpo di un miliardesimo di miliardesimo di metro (distanza più piccola del diametro di un protone). Per arrivare a questa sensibilità, ci sono voluti oltre cinquanta anni di esperimenti, che poi hanno condotto allo sviluppo dei rivelatori utilizzati attualmente: gli interferometri laser. Negli interferometri, la luce emessa dal laser, attraversando una lente convergente, viene ridotta in sorgente puntiforme. Il fascio di luce attraversa uno specchio semiriflettente (beam splitter), inclinato di 45° rispetto alla direzione della luce, dividendosi in due fasci perpendicolari tra loro. I fasci vengono poi riflessi da due specchi piani e poi riconvergono sul beam splitter, che li ricombina in un unico fascio, proiettandolo verso uno schermo translucido. Questo fascio è diverso da quello emesso inizialmente dal laser, poiché risultato dell’interferenza tra i due fasci di luce riflessi dagli specchi piani. Normalmente i due fasci di luce sono in opposizione di fase e, quindi, sullo schermo translucido non arriva nessun segnale luminoso. Al passaggio di un’onda gravitazionale, però, i fasci di luce si deformano e cambia l’interferenza: i due fasci non saranno più in opposizione di fase e, quindi, si potrà rivelare un segnale luminoso. La frequenza di questo segnale coincide con quella dell’onda gravitazionale e l’intensità luminosa è proporzionale all’ampiezza dell’onda gravitazionale. Per migliorare la sensibilità degli interferometri bisogna ridurre il rumore sismico, il rumore termico degli specchi e delle sospensioni: gli specchi devono essere totalmente isolati, in modo tale che non risentano dei rumori sismici intorno, devono essere perfettamente riflettenti e le sospensioni devono essere a bassissima dispersione meccanica.

Il 14 settembre 2015 è stata rivelata la prima onda gravitazionale dai 2 interferometri presenti in America: l’onda è stata emessa da 2 buchi neri (di 36 e 29 masse solari), che hanno spiraleggiato sempre più velocemente (fino a raggiungere una velocità pari a metà di  quella della luce), per poi fondersi in un unico corpo di 62 masse solari: le restanti 3 masse solari si sono disperse sotto forma di energia nelle onde gravitazionali. Questa sorgente distava circa 1.3 miliardi di anni luce dalla terra, quindi questo fenomeno è avvenuto, in realtà, ben 1.3 miliardi di anni fa. Tale fenomeno non ha generato nessun fascio di luce, ma solo onde gravitazionali. Purtroppo durante il passaggio dell’onda, l’interferometro italiano Virgo non era attivo; il 14 agosto 2017, invece, oltra ai due americani, anche Virgo ha rivelato un’ulteriore onda gravitazionale. La presenza di Virgo è molto importante, in quanto con 3 rivelatori è possibile anche determinare precisamente dov’è la sorgente. Infatti, conoscendo la zona dove è avvenuto il fenomeno rivelato, si può anche determinare la galassia di provenienza, ma, soprattutto, i telescopi ottici nello spazio possono puntare verso quella determinata zona, nel tentativo di osservare il fenomeno. Tutto questo è avvenuto proprio il 17 agosto 2017: i corpi che avevano emesso le onde gravitazionali erano due stelle di neutroni che si univano, e tale fenomeno fu osservato anche tramite i telescopi.  Così si è sviluppata una nuova astronomia: l’astronomia multi-messaggera, che consente di vedere i fenomeni che avvengono nell’universo, non solo con i fotoni, ma anche con le onde gravitazionali.

Laboratori Nazionali del Sud (INFN)

L’INFN è l’ente che coordina e finanzia tutta la ricerca in fisica nucleare, subnucleare e in altri campi che necessitano di tecniche tipiche della fisica nucleare. Esso è dotato di 23 sezioni e 4 laboratori: LNS, LNF, LNGS e LNL. Nei Laboratori Nazionali del Sud (LNS) si studia in particolare la fisica particellare e la fisica dei neutrini e, quindi, le sonde adroniche. L’adrone è una particella subatomica fatta di quark e antiquark.

Per poter studiare le particelle subatomiche è necessario far collidere dei nuclei atomici tra loro, facendoli frammentare in tante particelle che vanno, poi, analizzate. Per far collidere due nuclei, però, è necessario vincere la forza repulsiva tra i nuclei stessi, dovuta alla parità di carica, e ciò è possibile solo se al nucleo è impressa una velocità molto elevata, all’interno di un acceleratore di particelle. Nel LNS è presente l’acceleratore di particelle TANDEM, lungo 25 metri e pesante 120 tonnellate. All’interno di TANDEM viene creato il vuoto (ottenendo una pressione un milione di volte inferiore a quella atmosferica), in modo da ridurre il più possibile il numero di particelle al suo interno. Quindi, per far in modo che un atomo di un qualsiasi elemento collida con un altro nucleo, bisogna fornirgli della velocità: appena immesso nel TANDEM, l’atomo è già ionizzato negativamente e, questa ionizzazione, gli fornisce un’energia di 15 MeV. Alla velocità corrispondente, però, non è sufficiente per far avvenire la collisione tra due nuclei: la velocità necessaria è di circa 4000 km/s, ovvero un’energia di 100 MeV. Per poter raggiungere questo valore, l’atomo viene fatto passare attraverso uno stripper (cioè una sottilissima lamina di materiale, che può avere uno spessore nell’ordine dei micron). Quando l’atomo attraversa questa lamina, subisce forti “attriti” e viene ionizzato positivamente. In questo modo, l’atomo, in due fasi (una di attrazione +- e una di repulsione ++) raggiunge una energia di 100 MeV e può collidere con un altro nucleo atomico, dando vita, in genere, a fenomeni di fusione.

All’interno del LNS è presente anche un Ciclotrone Superconduttore. Il ciclotrone è un acceleratore compatto a tre settori, in grado di accelerare fasci ionici ad energie fino a 80 MeV. All’interno del ciclotrone la temperatura è di soli 4.2 K, in modo da ottenere valori di campo magnetico molto intensi. All’interno del ciclotrone sono iniettati degli ioni positivi, prodotti in una sorgente ECR (Electron Cyclotron Resonance). Questi ioni percorrono orbite a spirale, con una frequenza dipendente dallo stato di carica, dal campo magnetico e dalla massa. L’accelerazione è ottenuta tramite l’azione di campi elettrici, che, a differenza dei campi magnetici, accelerano gli ioni. Quando l’energia del fascio raggiunge il suo valore massimo, le particelle si troveranno nell’orbita di raggio massimo, e verranno inviate, lungo la linea di estrazione, in sala sperimentale.

Un altro rivelatore molto importante del LNS è Chimera. Questi è un multirivelatore operante, costituito da 1192 unità di rivelazione, formate da rivelatori di silicio, che fungono da semiconduttori, e da scintillatori, ovvero materiali in genere plastici, che producono una piccola scintilla al passaggio di una particella ionizzante. Differenti metodi di identificazione usati in Chimera permettono una completa rivelazione delle particelle cariche emesse nelle collisioni nucleari; inoltre permettono anche di rivelare neutroni e raggi gamma. Grazie a Chimera è possibile determinare la massa e la carica elettrica delle particelle generate dalla collisione, in modo da poterle identificare con precisione. Chimera ha una forma sferica: al centro della sfera c’è il bersaglio nucleare, che viene colpito da un fascio di miliardi di particelle al secondo. È proprio dall’impatto di questo fascio col bersaglio, che si genera una multiframmentazione, la quale produce le numerose particelle che vengono analizzate.

È interessante vedere come le ricerche portate avanti nel LNS portino delle innovazioni anche in campo medico. Proprio nel LNS, infatti, si pratica l’adroterapia, che, sfruttando fasci di ioni o protoni ad elevate velocità, permettono di trattare i tumori dell’occhio.

                                                                                                                                                                                                       Matteo Olimpo - Classe III R


Visita ai Laboratori Nazionali del Sud di Catania

I Laboratori Nazionali del Sud fanno parte dell’INFN, (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), un ente che si occupa di stimolare e coordinare la ricerca nel campo della fisica nucleare e subnucleare in tutta Italia. La struttura può mantenere la sua efficienza grazie ai fondi dello Stato Italiano e della Comunità Europea, per un totale di circa sei milioni di euro annui. Lo scopo principale dei laboratori è di produrre pubblicazioni riguardanti nuove teorie o nuove scoperte per poi valutarne la veridicità, l’utilità e l’importanza per la scienza moderna. Le ricerche che vengono effettuate si dividono in due tipi: ricerche di base, effettuate per sviluppare teorie, e ricerche applicate. L’attività di ricerca teorica dei Laboratori Nazionali del Sud è incentrata sul settore della Fisica Nucleare, che ha lo scopo di comprendere le proprietà dei nuclei atomici in condizioni normali e non, come quelle che si possono verificare durante l’esplosione di una supernova o nell’universo primordiale. Le ricerche applicate sono invece quelle che trovano riscontri nelle sperimentazioni materiali, attraverso i cinque sensi o, in questi casi, gli strumenti.

Un esempio di ricerca applicata che viene svolta nel Laboratori Nazionali del Sud è l’adroterapia, che sfrutta i protoni per la distruzione di cellule tumorali, in particolar modo per la cura di tumori superficiali come quello alla retina. La particolarità di questa tecnica, ovvero ciò che la rende estremamente vantaggiosa rispetto a quelle usate fino ad oggi, è che può essere impostata in modo specifico la zona da colpire, danneggiando in questo modo solo la parte effettivamente malata.

Un altro esempio di ricerca applicata svolta nei Laboratori Nazionali del Sud è quella che avviene attraverso l’utilizzo del Tandem, un acceleratore lungo 25 metri, all’interno del quale viene iniettato un fascio di ioni negativi che vengono accelerati e attraversano un foglio di carbonio (stripper), perdendo due o più elettroni. Essi diventano dunque carichi positivamente e subiscono un’altra accelerazione. Questo strumento, oltre ad aver contribuito con successo a studi sull’astrofisica nucleare ha ottime finalità applicative, per esempio ha permesso di studiare il danno causato da radiazioni su componenti elettroniche . Per condurre queste ricerche è presente inoltre un altro acceleratore: il ciclotrone superconduttore. Gli ioni introdotti questa volta sono carichi positivamente. Essi Vengono iniettati verticalmente e percorrono delle orbite a spirale. Vengono poi accelerati grazie alla presenza di un campo elettromagnetico ad alta frequenza, e infine vengono estratti attraverso un deflettore elettrostatico.

Oltre agli acceleratori, nei Laboratori Nazionali del Sud è presente il rivelatore Chimera che, attraverso complesse strutture in silicio, riesce a rivelare in modo completo le particelle cariche emesse dalle collisioni nucleari. La domanda che sorge spontanea è: a cosa servono praticamente questi studi? Alla scoperta delle parti più piccole dell’atomo, alla ricerca delle proprietà della materia sub-atomica e in particolare allo studio delle proprietà dei nuclei, parte centrale dell’atomo, sebbene molto più piccola rispetto alla sua intera grandezza (circa 10.000 volte più piccolo). I nuclei sono formati da neutroni e protoni, i costituenti fondamentali di tutta la materia che ci circonda, che interagiscono tra loro utilizzando le forze nucleari, a loro volta oggetti di molti studi e ancora in parte sconosciute. Esse rappresentano l’argomento fondamentale della ricerca in fisica nucleare. Proprio per questo i fisici hanno sviluppato gli acceleratori di particelle che, sfruttando la collisione tra i nuclei accelerati del fascio e quelli del bersaglio permettono di osservare in maniere abbastanza chiara i nuclei e di verificarne le proprietà. Questo e altro ancora sono il frutto della dedizione e dell’impegno di chi lavora quotidianamente nei Laboratori Nazionali del Sud. Il futuro della fisica è in questi strumenti e nelle menti che ci lavorano, il futuro è la ricerca.

                                                                                                                                                                                                              Martina Doku - Classe III Q

Visita alla Mostra Lab Ferraris di Acireale

Galileo Ferraris nacque nel lontano 30 ottobre 1847 in una piccola città della provincia di Vercelli, in Piemonte: Livorno Piemonte, successivamente ribattezzata Livorno Ferraris in onore dello scienziato al quale diede i natali. All’età di 22 anni si laurea in ingegneria civile e, divenuto assistente di fisica tecnica presso il Regio Museo Industriale Italiano, si dedica allo studio dell’elettromagnetismo. All’ingegnere e scienziato italiano dobbiamo la scoperta del campo magnetico rotante e l’ideazione del motore elettrico in corrente alternata: un particolare motore elettrico in grado di funzionare utilizzando un tipo di corrente elettrica detta alternata perché caratterizzata dal fatto di invertire la polarità elettrica continuamente nel tempo ma con periodicità fissa (tipicamente 50 o 60 volte al secondo).

In onore del brillante scienziato morto a Torino all’età di 50 anni l’istituto  d’istruzione secondaria superiore di Acireale (un comune in provincia di Catania, Sicilia) ne prende il nome. Ogni anno, da ormai 10 anni, l’IISS G. Ferraris da vita ad una mostra scientifica dei loro laboratori e per questo motivo prende il nome di “LAB Ferraris”.

Una  delle sale della mostra è completamente dedicata ai satelliti artificiali e GPS.

Con il termine “satellite artificiale” intendiamo tutti gli oggetti orbitanti intorno ad un corpo celeste posti volutamente nell’orbita desiderata con mezzi tecnologici con varie finalità a supporto di necessità umane. L’insieme di più satelliti artificiali adibiti ad uno stesso scopo forma una costellazione o flotta di satelliti artificiali. In base alla loro funzione vengono suddivisi in due importanti categorie:

  • Satelliti scientifici, destinati alla ricerca nel campo dell’astronomia e della geofisica;
  • Satelliti applicativi, destinati a scopi militari o ad usi commerciali civili.

Quest’ultima categoria può essere ulteriormente suddivisa in: satelliti per le telecomunicazioni – che formano una rete satellitare, cioè una rete di telecomunicazioni a radiofrequenza per la comunicazione di informazioni attraverso collegamenti radio tra stazioni ricetrasmittenti a terra –  e, appunto, satelliti artificiali in orbita. Spesso sono posizionati intorno alla Terra su orbite geostazionarie: orbite situate ad un’altezza tale che il periodo di rivoluzione del satellite che la percorre coincida con il periodo di rotazione della Terra.

I satelliti meteorologici sono dei particolari tipi di satelliti artificiali, utilizzati dai meteorologi per raccogliere informazioni sulle condizioni meteo-atmosferiche di vaste zone del pianeta, consentendo previsioni meteo  in tempo reale. Questi satelliti vengono spesso utilizzati  insieme a stazioni a stazioni meteorologiche e ai dati provenienti da esse. Il primo satellite meteorologico della storia fu lanciato nel 1959, il 14 febbraio, da Cape Canaveral Air Force Station e venne chiamato Vanguard 2.  

Oltre ad occupare orbite geostazionarie, i satelliti possono anche occupare orbite polari: orbite che permettono al satellite che la percorrono di passare sopra entrambi i poli del corpo celeste intorno al quale ruota.

I satelliti per il tele-rivelamento sono costruiti per il tele rivelamento e cioè per la disciplina tecnico-scientifica con finalità diagnostico-investigative che permette di ricavare informazioni, qualitative e quantitative, sull’ambiente e sugli oggetti posti a distanza da un sensore mediante radiazione elettromagnetica che interagisce sulle superfici fisiche di interesse.

Vi sono poi i satelliti per la navigazione, come quelli della rete GPS (Global Positioning System). Il principio di funzionamento del GPS si basa su un metodo detto trilaterazione: esso è lo stesso principio della triangolazione, ma portato dal piano bidimensionale allo spazio  tridimensionale. Utilizzando tre antenne e un ricevitore è possibile trovare la posizione di quest’ultimo rispetto ad esse: le tre antenne emettono contemporaneamente segnali elettromagnetici in ogni direzione, delimitando quindi tre diverse circonferenze; quando i segnali incontreranno il ricevitore, riporteranno un valore numerico corrispondente alla distanza percorsa dal segnale dal ricevitore alle antenne. Queste distanze saranno i raggi delle tre diverse circonferenze con le antenne come centro. Le tre circonferenze avranno un unico punto in comune che è esattamente quello dove si trova il ricevitore. Per passare a uno spazio tridimensionale le circonferenze diventano sfere e le antenne satelliti artificiali intorno alla Terra.

I satelliti militari, sia a scopo offensivo che difensivo, vengono utilizzati per operazioni di monitoraggio in diretta di tutti i corpi in movimento in una zona determinata, per intelligence, o supporto per le telecomunicazioni su canali riservati e supporto d’armata.

         I satelliti artificiali sono caratterizzati e divisi (come abbiamo visto) anche in base all’orbita che percorrono. Tra le principali usate abbiamo:

  • Orbite polari, di cui abbiamo già parlato;
  • Orbite geostazionarie, di cui abbiamo parlato ugualmente in precedenza;
  • Orbite equatoriali: orbite il cui piano orbitale coincide con il piano equatoriale del corpo celeste intorno al quale orbita il satellite. Nel caso di orbite equatoriali terrestri, il piano orbitale coincide con quello definito dall’equatore terrestre;
  • Orbita terrestre bassa, cioè un’orbita attorno alla Terra di altitudine compresa tra i 160 e i 2000 km dalla superficie. Un corpo che si muove su orbita bassa ha un periodo di rivoluzione di 90 minuti quindi viaggia ad una velocità di circa 27400 km/h. Tutti i viaggi spaziali umani (tranne quello lunare del programma Apollo) si sono svolti su orbita bassa;
  • Orbita terrestre media è un’orbita attorno alla Terra di altitudine compresa tra i 2000 e i 35786 km dalla superficie terrestre.

I satelliti artificiali sono normalmente dotati di piccoli razzi che permettono piccoli movimenti, un’antenna per ricevere istruzioni dalla Terra e trasmettere informazioni e delle telecamere per registrare tutto ciò che vedono.

              Nella zona della mostra dedicata alla meccanica è presente uno spaccato di motore a combustione interna quattro tempi che ne spiega il funzionamento. Un motore a combustione interna è una macchina motrice che permette di convertire l’energia chimica, posseduta da una miscela aria-combustibile, in lavoro meccanico. La conversione avviene nella camera di combustione, dove i gas combusti generano alta pressione e aumento di volume tale che spinge il pistone in basso che a sua volta fa ruotare l’albero motore. Il motore a combustione interna è costituiti da diversi impianti che ne permettono il funzionamento:

  • Impianto di accensione: l’insieme dei componenti che servono per la generazione della scintilla che determina l’inizio della combustione;
  • Impianto di avviamento: insieme degli organi meccanici deputati all’avviamento del motore stesso;
  • Impianto di raffreddamento, che ha il compito di abbassare la temperatura dell’ambiente circostante o di mantenere tale temperatura a livelli bassi;
  • Impianto di alimentazione, che serve per l’introduzione della carica fresca (benzina ed aria) nel cilindro del motore;
  • Impianto di scarica, che serve per l’evacuazione dei gas di scarico.

La tipologia di motore più usato è proprio il motore a combustione interna quattro tempi. Viene chiamato così perché la combustione avviene in quattro passaggi successivi:

  • Aspirazione: si ha l’introduzione della miscela aria-combustibile del cilindro. Il pistone scende dal punto morto superiore (PMS) al punto morto inferiore (PMI). Scendendo, i pistoni creano una forte depressione nella camera di combustione; grazie a questa depressione e all’inserimento del carburante da parte di un iniettore, la camera si riempie della quantità di carburante calcolata dalla centralina elettronica sulla base della pressione del piede sull’acceleratore;
  • Compressione: la miscela aria-combustibile viene compressa volumetricamente nella camera di combustione dal pistone che risale dal PMI al PMS;
  • Accensione ed espansione: il pistone salendo comprime l’aria all’interno del cilindro, poi, arrivando alla fine della sua corsa, la candela (impianto di accensione) accende la miscela producendo l’espansione che, ormai detonata, spinge verso il basso il pistone;
  • Scarico: la valvola di scarico si apre prima che il pistone arrivi al PMI: questa fase si chiama “scarico libero”; sceso al PMI, esso risale spinto dal movimento degli altri pistoni espellendo i gas provocati dalla combustione attraverso l’apertura delle valvole di scarico, che fanno evacuare il gas combusto dal cilindro, preparandolo ad un nuovo ciclo, mentre i residui della combustione vengono immessi nel collettore di scarico, collegato all’impianto di scarico.

                                                                                                                                                                                      Francesco Granata - Classe III R


                                                                                                                                                                                                                                           

La conferenza sulle onde gravitazionali del Dr. Eugenio Coccia

In questa relazione parlerò della conferenza sulle onde gravitazionali alla quale io e il mio gruppo di viaggio abbiamo assistito. Tenutasi questo 1 dicembre presso la Biblioteca Zelantea di Acireale dal Dr. Eugenio Coccia, uno degli autori della scoperta delle onde gravitazionali e della prima osservazione di buchi neri, l’evento è stato intitolato “Onde gravitazionali: la nascita di una nuova astronomia”. Durante la conferenza il Dr. Coccia ha spiegato la natura di queste onde, le loro possibili applicazioni nella scienza moderna e ha fatto una riflessione su cosa possa comportare questa scoperta epocale nello studio del nostro Universo.

Sono state percorse le tappe della storia dell’astronomia e dell’astrofisica, partendo da Galileo Galilei e passando per Isaac Newton, che elaborò la legge di gravitazione universale, secondo la quale due corpi si attraggono in maniera direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale alla loro distanza elevata al quadrato. La teoria di Newton spiegava come i pianeti gravitassero intorno a stelle come il Sole, permetteva di calcolare dove si sarebbe trovato un corpo celeste in un dato istante e ci ha consentito di compiere diverse imprese, prima tra le quali mandare l’uomo sulla Luna. E poi arrivò Albert Einstein, che, come ha scherzosamente affermato il Dr. Coccia durante la conferenza, “mandò Newton in soffitta”. Egli ha spiegato, in maniera molto semplificata, la differenza sostanziale tra la legge di Newton e la relatività generale, ovvero la concezione nuova che Einstein da della gravità. E lo ha fatto attraverso l’esempio di due omini che, in un mondo completamente bidimensionale, decidono di camminare seguendo vie parallele e ad un certo punto si incontrano. Ripetono più volte l’esperimento, ma il risultato è sempre lo stesso. Newton dice che ciò accade per via della forza che attrae i due corpi, dovuta al fatto che questi possiedono una massa. Nella teoria di Einstein, invece, i due corpi si avvicinano fino a incontrarsi a causa della geometria dello spazio in cui si muovono, che è curvo. Infatti, lo spazio, in presenza di materia, si curva, e il moto dei corpi che si muovono liberi all’interno di esso è vincolato dalla geometria di questo nuovo spazio formatosi. Quindi, maggiore è la massa di un oggetto nello spazio, maggiore è la curvatura dello spazio che si crea attorno ad esso. Motivo per cui deve anche essere maggiore la cosiddetta velocità di fuga di un corpo meno massiccio per sfuggire al dato campo gravitazionale. Gli oggetti più massicci esistenti nel nostro Universo sono quelli che si vengono a formare a seguito di un collasso stellare. Quanto più la massa della stella di partenza è grande, tanto più grande sarà quella di questi corpi (nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri). I buchi neri sono oggetti tanto massicci che nemmeno la luce, in quanto non sufficientemente veloce, può sfuggire al loro campo gravitazionale.

Tornando ad Einstein, egli paragonava lo spazio ad una gelatina, perché, in quanto flessibile, ogni volta che una massa subisce un’accelerazione lo spazio vibra, proprio come farebbe una gelatina, producendo delle onde gravitazionali, ovvero deformazioni dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Una delle caratteristiche delle onde gravitazionali è che la loro polarizzazione è mareale, che in sintesi vuol dire che le regioni dello spazio-tempo attraversate da tali onde si comprimono e si dilatano lungo direzioni perpendicolari, e nella fase successiva si comprimono e si dilatano nelle direzioni opposte.

E qui si arriva al dunque; perché le onde gravitazionali hanno un’importanza fondamentale? La risposta è che le onde gravitazionali portano con sé un numero di informazioni enorme che non possono essere invece ricavate dall’analisi delle onde elettromagnetiche, strumento del quale l’uomo si è avvalso per lo studio dell’Universo fino ad oggi. In altre parole le onde gravitazionali ci rivelano dati che vanno oltre la sfera del visibile (da ricordare l’esempio del pianoforte: se ci si trovasse da soli, in una stanza completamente buia, e si sentisse solo una nota di pianoforte, quella stessa nota ci fornirebbe numerose informazioni: che c’è un pianoforte (e non un altro strumento); che quella nota magari è un la e non un sol, o un’altra nota; che lo strumento è di qualità, oppure è di marca scadente; ecc. ecc.). Le onde gravitazionali sono dunque un nuovo potente mezzo con cui andare alla scoperta dell’Universo in cui viviamo.

                                                                                                                                                                                             Aniello F. Pelella - Classe 3 R

Scienza a Catania: Ettore Majorana e l’Osservatorio Solare dell’Università

Ettore Majorana, nato a Catania nel 1906, è definito dal suo amico e collega Enrico Fermi un genio. La maggior parte di quello che sappiamo su di lui lo dobbiamo principalmente dei suoi colleghi Emilio Segré (premio Nobel per la fisica nel 1959) e Edoardo Amaldi.

Passata la sua adolescenza a Catania, sua città natale, nel 1921 Majorana si trasferisce a Roma e poco dopo s’iscrive alla facoltà d’ingegneria. Egli eccelle in tutte le materie tranne il disegno e, data la sua bravura, i suoi amici lo convincono  a incontrare Enrico Fermi che si trova in città. Emilio Segré accetta subito l’offerta di lavorare con Fermi. In quel periodo Fermi stava lavorando al suo modello chiamato modello di Thomas-Fermi, in cui spiega tramite un’equazione il “funzionamento” di tutti gli atomi. Fermi elabora e risolve questa equazione in una settimana. Majorana dopo un colloquio iniziale con Fermi se ne va, e in una notte trova ben due modi di risolvere quell’equazione. Dopo aver verificato la teoria del potenziale universale di Fermi, Majorana torna il giorno dopo, si complimenta, e si iscrive alla facoltà di fisica.

Nonostante la sua smisurata bravura, Majorana scrisse solo dieci pubblicazioni. La sua prima pubblicazione uscì nel 1928, prima della sua laurea, e dopo la laurea le altre nove furono di immenso valore per tutta la comunità scientifica.

Nel 1932 oltre ad interpretare gli esperimenti di Segré scrivendo una teoria a lungo studiata da Wolfgang Pauli, sviluppa la teoria delle forze nucleari. Questa, però, fu pubblicata da Heisenberg poco prima che Fermi riuscisse  a convincere Majorana di pubblicare la sua; la teoria di Heisenberg però era sbagliata. Majorana incontra poi Heisenberg e gli comunica l’errore. Heisenberg riconosce il genio di Majorana e gli rende onore anche nelle sue conferenze.

La pubblicazione più famosa di Majorana è quella sui “neutrini di Majorana” oggetto di studio discussione ancora oggi.

Majorana tenne anche un corso a Napoli, e fu proprio in questo periodo che scomparve e non fu più ritrovato. Addirittura il suo amico Enrico Fermi scrisse al Duce perché si intensificassero le ricerche su Majorana ma lo sforzo fu vano.

Il contributo che Catania ha dato al progresso scientifico non si limita al fisico illustre Ettore Majorana, ma presso l’Università di Catania è presente l’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) che ha una cupola adibita all’osservazione solare. All’interno della cupola c’è un telescopio con una lente raccoglitrice di diametro 15 cm e focale 2,13 m. Il telescopio è fatto di tre parti: raccoglitore, analizzatore e ricevitore.

Il raccoglitore molto spesso è una lente o uno specchio che raccoglie la luce che entra nel telescopi. L’analizzatore analizza la luce raccolta ed emette luce ad altre lunghezze d’onda; per osservare parti diverse dell’atmosfera solare si attiva l’interferenziale, che analizza e riemette altre lunghezze d’onda, rendendo così possibile un osservazione mirata. Il ricevitore riceve e rielabora la luce costruendo così l’immagine.

Elemento di studio nell’ambito dell’osservazione solare sono le macchie solari. Queste sono zone fredde che si formano sulla regione solare chiamata fotosfera, una regione opaca che non rende possibile l’osservazione al di sotto di essa e che è la zona dove viene prodotta la maggior parte della luce che arriva sulla Terra.

Le macchie solari sono zone che hanno una temperatura di 4000 K ci appaiono scure perché le vediamo in contrasto con il resto dalla fotosfera la cui temperatura è di 6000 K. La loro temperatura più bassa è dovuta all’assenza di moti convettivi, i quali non avvengono a causa del campo magnetico che imprigiona il plasma in questa zona e non permette i moti convettivi. Le macchie solari sono oggetto di studio da centinaia di anni e sono sempre state messe in correlazione con i cambiamenti della temperatura globale. Infatti è stato osservato che la presenza di un maggior numero di macchie solari significa una maggiore attività del Sole che provoca un aumento della temperatura terrestre. Nella zona tra la parte scura e il resto della fotosfera è presente una zona chiamata “penombra” il cui sviluppo è tuttora ambiguo.

Spostandoci ulteriormente dal centro verso l’esterno del Sole, distinguiamo altre due zone la cromosfera e la corona. La cromosfera è la regione solare che si trova tra la fotosfera e la corona, ha una temperatura che si aggira intorno ai 10000 K ed è molto interessante l’osservazione delle sue protuberanze. L’osservazione della cromosfera può avvenire soltanto tramite l’uso di un interferometro che ci permette di ripulire la luce bianca da tutte le lunghezze d’onda emesse dalla cromosfera. Le protuberanze della cromosfera sono ben visibili durante un’eclissi. Durante un’eclissi sono visibili anche le protuberanze create dalla corona solare, lo strato più esterno del Sole dove si ha un effetto “strano”, ovvero che la temperatura raggiunge 1000000 K, questa temperatura è dovuta alle microesplosioni che avvengono al di sotto della corona. Sulla corona possiamo osservare protuberanze create dalla fuoriuscita di gas; molto spesso queste si presentano sotto forma di cerchi e sono per questo chiamati loop. La forma caratteristica dei loop è data dal campo magnetico solare; infatti tutti i gas che fuoriescono dal sole si allineano con esso. Dal campo magnetico solare qualcosa sfugge e arriva fino alla Terra; quando queste particelle, spinte dal vento solare, interagiscono con il campo magnetico terrestre, vengono  a formare le aurore boreali, la cui luce è appunto emessa da queste particelle, e la cui forma è quella che il campo magnetico terrestre da al flusso di particelle ricevuto.

L’osservazione solare ha fatto passi da gigante, ma non è stato possibile creare telescopi all’avanguardia come quelli per l’osservazione stellare, che raggiungono diametri anche di 32 m; questo a causa dell’elevatissima energia che arriva sotto forma di luce e di calore da parte del Sole. Nonostante i progressi relativi alla strumentazione oggi disponibile, non è possibile evitare la registrazione di fenomeni secondari come per esempio il seeing causato dall’ atmosfera terrestre, che crea un tremolio sui bordi dell’immagine; è lo stesso effetto che vediamo in estate quando l’asfalto è caldo e l’auto sembra muoversi.

La ricerca e l’osservazione solare non sono soltanto spinte dalla curiosità, la cosiddetta curiosity driven, ma anche da fini pratici quale per esempio quello di permettere ai satelliti il corretto funzionamento. La scienza, però, come possiamo osservare è spinta quasi sempre dalla curiosità e questo ci porta ad arrivare a conclusioni e scoperte inimmaginabili. L’uomo non può fare a meno della curiosità perché è quello che ci spinge oltre; ci spinge a vedere oltre il muro, e più è alto il muro, più è grande la curiosità.

                                                                                                                                                                                              Vincenzo Jr Di Rosa - Classe III R

 

 

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