LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI

Alunni: Geraldo & Mariachiara Classe 1B Alberghiero – Porto Sant’Elpidio (FM)

Tutor: prof. Pierluigi Stroppa

La forza di attrazione gravitazionale e la forza

elettromagnetica

Obiettivi di conoscenza e competenza

•Approfondire la conoscenza delle forze di attrazione gravitazionale ed elettromagnetica

•Conoscere le 4 forze fondamentali

•Sapere che le forze di attrazione gravitazionale ed elettromagnetica spiegano molti fenomeni da noi studiati in classe (la bussola, la rivoluzione dei pianeti intorno al Sole, le maree..)

Obiettivi di abilità• Collegare una forza fondamentale ai fenomeni

macroscopici che provoca

• Costruire un modello per rappresentare il campo magnetico terrestre

• Ideare esperimenti per visualizzare le forze di attrazione gravitazionale e la forza elettromagnetica

• Saper organizzare una videopresentazione per un convegno

• Confrontare tra loro le forze di attrazione gravitazionale e la forza elettromagnetica

Metodologia

• Lezioni frontali partecipate con uso di campioni

• Lavori di gruppo, role playing

• Invito alla produzione di videopresentazioni

• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete

Mezzi e strumenti

• Libri di testo e riviste scientifiche

• Personal computer e videoproiettore

• Laboratorio scientifico

• Macchina fotografica digitale e videocamera

• Lavagne d’ardesia, magnetica e luminosa

• Minerali, calamite, bussole

• Modelli e poster

La forza di attrazione gravitazionale

• La forza di attrazione gravitazionale è UNIVERSALE…

• … cioè tutti i corpi celesti ne sentono la presenza.

• Essa è la più debole delle 4 forze, non si riconoscerebbe se non avesse le 2 proprietà che la caratterizzano: agisce a grandi distanze ed è sempre attrattiva.

• La forza gravitazionale è veicolata dalla particella GRAVITONE che non ha massa ma possiede un grande raggio di azione.

La legge della gravitazione universale

Nel libro Philosophiae naturalis Principia Mathematica del 1687 Isaac Newton enunciò la legge di gravitazione universale:

“Due corpi, rispettivamente di massa m1 ed m2, si attraggono con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle masse ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. Tale forza ha la direzione parallela alla retta congiungente i baricentri dei corpi considerati”

La formula

Dove:

• F = forza di attrazione gravitazionale di m1 su m2

• G = costante di gravitazione UNIVERSALE

• m1, m2= masse dei corpi celesti

• d = distanza tra i corpi celesti

m1 x m2

d2

F = G

Effetto dell’attrazione gravitazionale del Sole sui pianeti

del sistema solare

Impatto di un meteorite (Barringer Crater,

Arizona, 1 km di larghezza), 22.000 anni fa

Effetto dell’attrazione gravitazionale terrestre sui corpi

extraterrestri

In passato il nostro pianeta fu colpito più

volte da questi oggetti; essi hanno

lasciato tracce assai vistose soprattutto in

aree desertiche (Arizona, Argentina) o

nelle regioni polari.

Massa 1 Massa 2 Distanza Forza

m1 m2 d f

8 5 2 10

16 5 2 20

16 5 4 5

m1 . m2

f d2

VARIAZIONE della FORZA GRAVITAZIONALE in funzione della MASSA

e della DISTANZA

La GRAVITAZIONE è utile o dannosa?

Certamente dannosa per chi cade dal tetto …

… ma indispensabile per

la nostra vita.

La rotazione terrestre

genera una forza

centrifuga….

… per cui senza la forza gravitazionale...

… quasi tutti gli uomini verrebbero dispersi nello spazio

Atmosfera

La Terra è un’astronave: l’atmosfera, spazio vitale, è trattenuta dalla gravità.

Per la legge di Newton la Terra ‘pesa’ su ogni corpo quanto lo stesso corpo pesa sulla Terra …

… e la forza di Atlante non era poi così grande …

doveva soltanto reggersi a testa in giù!

Se la velocità iniziale é abbastanza elevata il corpo non ricadrà più sulla Terra.

VELOCITA’ DI FUGA

Alla superficie della Terra è di 11 km/s (39.600 km/h)

La Forza di attrazione e le maree

• La Fag della Luna sulla Terra causa le maree che si distinguono in due tipi: di congiunzione o sigiziali (quando i due corpi celesti sono allineati con il Sole); di quadratura, quando i tre corpi celesti formano tra loro un angolo di 90°.

Le Mont Saint Michel • Alta marea

• Bassa marea

LA FORZA ELETTROMAGNETICA • Un fenomeno dovuto alla forza elettromagnetica

è il campo magnetico Terrestre.

Tratta dal quaderno di Geraldo, in www.pierluigistroppa.altervista.org

LA FORZA ELETTROMAGNETICA E L’ATOMO

• Un altro fenomeno dovuto alla forza elettromagnetica è la rotazione nell’atomo degli elettroni (con carica negativa) intorno al nucleo positivo (colore rosso nell’animazione).

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE – ipotesi A

• Questa ipotesi spiegherebbe che il CMT è causato da un’enorme barra metallica - dotata di magnetismo - posta nel nucleo terrestre; essa creerebbe le linee di forza del campo magnetico terrestre.

• N.B questa teoria non è esatta, perché l’interno terrestre ha una temperatura molto elevata (circa 5000°C) che farebbe perdere alla barra metallica le proprietà magnetiche.

IPOTESI A

Da una spiegazione, in www.pierluigistroppa.altervista.org

IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE – ipotesi B

• Questa ipotesi ben si sposa con le alte temperature presenti nell’interno terrestre

• Nel nucleo esterno ci sarebbero correnti elettriche ferrifere (forse di magnetite) che creerebbero le linee di forza del CMT.

IPOTESI B

Da una spiegazione, in www.pierluigistroppa.altervista.org

Un semplice modello del CMT

• Con una calamita cava e del fil di ferro possiamo materializzare rispettivamente le correnti elettriche ferrifere nel nucleo esterno e le linee di forza del CMT da esse create

Utilità del campo magnetico terrestre

• Il CMT è indispensabile per la vita del pianeta. Infatti esso ci protegge dal vento solare, dai raggi cosmici e aiuta e altri animali nell’orientamento.

• Se il CMT si indebolisse il vento solare potrebbe spazzare via l’atmosfera, come probabilmente accadde su Marte miliardi di anni fa.

Vento solare & CMT

Da www.teschio.net/foto/magnetico

• Le linee di forza del CMT ci proteggono dal vento solare

Vento solare & CMT• Potremmo essere vulnerabili al vento solare nel

momento in cui il CMT s’invertirà…

• …..tutto dipenderà dalla velocità con cui il fenomeno d’inversione avverrà..

• Se il processo sarà istantaneo non correremo nessun rischio..

• Se l’inversione sarà lenta ci potrebbero essere dei problemi: in tal caso le particelle ionizzate del vento solare interferirebbero con quelle della ionosfera creando problemi alle telecomunicazioni, all’orientamento degli animali migratori ….

• Ma non dovremmo preoccuparci più di tanto: il fenomeno è già avvenuto molte volte nel passato (l’ultima volta 30.000 anni fa) e non sembra aver causato gravi problemi alla vita!

Un altro 28 agosto 1859?• Potremmo essere vulnerabili al vento solare nel

momento in cui il CMT s’invertirà…se l’attività del Sole fosse al massimo, come accadde il 28 agosto 1859:

Confronto tra le due forze • L’attrazione gravitazionale tra PROTONI è

approssimativamente 1036 volte più debole della REPULSIONE COULOMBIANA.

• A lato un semplice esperimento per dimostrare che la forza elettromagnetica è più forte di quella gravitazionale.

La debolezza della forza di attrazione gravitazionale

• Gli atomi sono tenuti insieme da forze elettriche. Tra il nucleo dell’atomo che ha carica positiva e gli elettroni che hanno carica negativa vi è un’attrazione elettrica. Immaginiamo di poter disattivare le forze elettriche….

• Come una pulce? Come un topo? No. Come un grattacielo? No, andate pure avanti. Grande come la Terra? Non siamo neanche vicini. Il raggio di un atomo tenuto insieme dalla gravità sarebbe pari a cento volte il raggio dell’universo visibile!

• ...resterebbe comunque l’attrazione gravitazionale. Quanto stretti potrebbero essere tenuti insieme il nucleo e gli elettroni dalla gravità? Quanto sarebbe grande un atomo tenuto insieme dalla gravità?

BIBLIOGRAFIA• Nicola Dallaporta (1986), “sguardo sull’attuale cosmologia” ed. Borla

• Franc Wilczek (2010), “la leggerezza dell’essere. La massa, l’etere e l’unificazione delle forze” ed. Mondadori

• Ippolita Martellotta & Rosa Anna Rizzo (2009): “English for Science, facing the future” lingue Zanichelli

• Aldo Conti & Lino Miramonti “una particella molto sfuggente”, in quark album cacciatori di neutrini. A cura dell’INFN

• Antonio Masiero & Massimo Pietroni “Il lato oscuro dell’Universo” in “La materia oscura” collana “asimmetrie” anno 2 n°4-giugno 2007. A cura dell’INFN

• Angela Bracco “Al cuore della materia” in “Nuclei e stelle” collana “asimmetrie” anno 4 n°9-settembre 2009. A cura dell’INFN

• Alberto Del Guerra “Antimateria al lavoro per la salute” in “antimateria” collana “asimmetrie” anno 3 n°7-ottobre 2008. A cura dell’INFN

• Nicola Cabibbo “Le interazioni deboli” in “la lunga caccia al neutrino” collana “asimmetrie” anno 2 n°3 - dicembre 2006. A cura dell’INFN

• A.Zullini e U.Scaioni “scienze della terra”, edizioni ATLAS

• Poster INFN 1951-2001, “50 anni di ricerca italiana alla frontiera della scienza e della tecnologia”

• Autori vari “fisica, gli scienziati delle forze fondamentali e il loro istituto”

• Stephen Hawking, 1988, “A brief history of time, from the Big Bang to Black Holes”

• F.Bagatti & alii (2.000) “elementi di chimica, sezione C: dalla struttura dell’atomo ai legami chimici”.

• Luca Novelli (2007), “Einstein e le macchine del tempo”, in lampi di genio, ed. scienza

SITOGRAFIA

• www.wikipedia

• www.pierluigistroppa.altervista.org

• www.infn.it

• www.asimmetrie.it

• www.cern