4. La Fisica per tutti
Un
problema di notevole importanza, che l'istruzione primaria e
secondaria italiana dovrà presto risolvere, riguarda senza dubbio la stentata
integrazione fra il mondo del lavoro e quello della scuola, con l'assenza di
una seria attività di progettazione, sperimentazione e promozione da parte dei
principali centri di ricerca e università. Invero mai come oggi, l'avvento dei
nuova media e delle tecnologie nel Web, consente un agevole trasferimento di
risorse, mezzi e conoscenze, dalla ricerca alle istituzioni preposte alla
formazione dei giovani, favorendo così l'interazione fra due mondi
apparentemente separati.
Soprattutto nei paesi dell'area anglosassone si osserva un crescente
moltiplicarsi di iniziative online, attraverso la costruzione di pagine, nei
siti di università ed enti di ricerca, che affrontano e sviluppano, in modo
spesso accattivante, argomenti e tematiche relativi ad applicazioni
scientifiche di rilievo. Si tratta di un
modo intelligente per coinvolgere i ragazzi e a volte anche i genitori, nello
studio attivo di fatti che sono ormai entrati a far parte della vita di tutti e
che rischiano, qualora non compresi, di essere usati e gestiti male.
Figura 1
Il progetto Physics 2000, ad esempio, è
stato sviluppato all'università del Colorado http://www.Colorado.EDU/physics/2000/index.pl: gli obiettivi didattici degli autori sono stati appunto
quelli di rendere la fisica più accessibile agli studenti e al vasto pubblico,
anche per migliorarne l'immagine non sempre positiva.
Le pagine web, come quella in figura 1, di immediata lettura per tutte le
età, enfatizzano le tecniche multimediali con numerose immagini, simulazioni e
sessioni di studio, su topiche non convenzionali con un particolare riguardo ai collegamenti
fra la moderna tecnologia e la ricerca
di base.
La strategia è quella dunque di far
riferimento al mondo concreto con esempi tratti dalla comune esperienza:
dall'uso del forno a microonde ai raggi X, dalla formazione delle immagini
digitali al laser, con esempi costruiti in modo tale da risalire alla
comprensione dei principi fisici e alla teoria retrostanti. Il linguaggio usato è semplice e accattivante
e richiama a volte lo stile dei
fumetti con vignette e dialoghi fra vari personaggi.
Ad esempio nella sessione di studio
relativa alla tecnologia degli schermi Tv, si parte dal concetto di pixel per esaminare poi il procedimento
di scansione dell'immagine attraverso i fasci elettronici e concludere con la
composizione e la formazione delle odierne immagini a colori.
Per quanto detto e visto, la tipologia di
questi percorsi si adatta in particolare modo alla didattica delle scuole medie
inferiori ma potrebbe riguardare anche un qualunque corso di fisica di base che
consideri una formalizzazione e un apparato matematico abbastanza semplice.
Resta il problema della lingua ma, a questo proposito, occorre sottolineare che
si ha a che fare con un inglese dalla struttura sintattica elementare e con un
lessico non particolarmente lontano da quello conosciuto da uno studente delle
nostre scuole.
La NASA, l'ente spaziale americano, ha patrocinato numerosi progetti per avvicinare il mondo dei giovani alla grande ricerca.
Al sito http://www.lerc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bga.html, è reperibile
un corso che, partendo da oggetti e situazioni concrete, ci addentra nella
fisica del volo e dell'aerodinamica in generale, con l'utilizzo di numerose
interazioni multimediali guidate, molte
delle quali scaricabili in formato zip.
Gli argomenti di fisica correlati sono
davvero tanti e tutti interessanti: dall'equazione fondamentale della dinamica,
nel moto di un oggetto in un mezzo senza attriti, allo studio degli effetti
dovuti all'aerodinamica, nel moto di un corpo soggetto alla resistenza
dell'aria, dall'analisi delle forze che agiscono su un aliante a quelle a cui
invece è soggetto un vero aeroplano.
Figura 2
Inoltre, poiché l'aerodinamica riguarda il
moto di un oggetto in un dato mezzo resistente (ad esempio l'aria) che produce
delle reazioni rispetto ad esso, numerose pagine sono dedicate alle proprietà
dei gas e alla variazione di queste nell'atmosfera. Questo sito è stato
sviluppato nell'ambito del progetto LTP (Learning Technologies Project) che
favorisce appunto l'apprendimento in rete delle tecnologie (http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12) e intende fornire e promuovere le conoscenze di fondo
riguardanti il mondo dell'aerodinamica, per gli insegnanti di matematica e
scienze delle scuole secondarie americane al livello K-12. Il sofwtare di supporto FoilSim I, di cui è riportata una simulazione in figura2, è un
programma interattivo che permette agli studenti di disegnare e testare
particolari figure aerodinamiche e profili alari, al proprio personal computer.
E' data anche la possibilità di partecipare a sessioni di lavoro in
video-conferenza inerenti al progetto LTP dedicate agli insegnanti e agli
studenti:
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/CoE/Coemain.html
Mentre la prima versione di questo
pacchetto (FoilSim I) può essere tranquillamente scaricata per essere visionata
offline, la seconda, FoilSim II, è
invece disponibile sotto forma di applet
Java che possono essere eseguite sul proprio PC. Ad esempio con questo software
è possibile investigare in che modo un lanciatore di baseball possa imprimere
una particolare traiettoria alla palla, impostando la selezione dei fattori che
influenzano le forze aerodinamiche su di essa. D'altra parte queste sono le
stesse che generano le spinte ascensionali sulle ali dei normali aeroplani di
linea.
Un corso completo riguardante invece lo
studio delle proprietà magnetiche del nostro pianeta è rintracciabile alla
pagina web: http://www.phy6.org/Education/Intro.html
Le pagine di questo sito (in fig.3)
contengono numerose risorse testuali e link sui fenomeni concernenti il
geomagnetismo anche dal punto di vista dell'evoluzione storica dei concetti
inerenti le proprietà magnetiche della materia.
Figura 3
Se c'è un'attività che può richiamare
l'attenzione e la curiosità di molti ragazzi e ragazze quella è sicuramente lo
sport: un altro progetto della Nasa è stato quello per l'appunto di collegare
fra loro la scienza e lo sport in uno studio interattivo tramite Internet, http://wings.avkids.com/Tennis/ (fig.4) con le finalità di studiare e comprendere, anche
qui, alcuni aspetti fondamentali dell'aerodinamica e della fisica in genere.
Figura 4
In particolare è stato preso come
riferimento il tennis per analizzare, grazie anche all'esame di gare disputate
da giocatori professionisti, la dinamica del movimento della palla: la sua
velocità, la sua rotazione, i colpi e gli effetti ad essa impressi dai
tennisti.
Il progetto prevede l'utilizzo di metodi e
tecnologie quali l'uso di sofisticate telecamere digitali che consentiranno di
visualizzare e studiare il moto della pallina da un nuovo punto di vista. Sarà
possibile inoltre per gli studenti di ogni ordine e grado e per gli insegnanti,
interagire con gli ingegneri ed i ricercatori ponendo loro questioni e
suggerendo esperimenti al fine di condividere i risultati delle attività. Il
Web verrà impiegato per divulgare gli
esiti delle esperienze attraverso videoconferenze e conversazioni con i team di
lavoro. Il piano delle lezione prevede l'utilizzo di laboratori virtuali con
animazioni e proiezioni di brevi filmati relativi agli esperimenti e alle
modellizzazioni dei fenomeni fisici presi in esame.
Uno dei principali punti di forza di
questo progetto è far vedere come sia possibile utilizzare la rete per creare
opportunità di proficua collaborazione fra mondi apparentemente separati e
distanti come la ricerca scientifica, lo
sport e la scuola.
Nel mondo in cui viviamo, non v'è dubbio
che le immagini ed i suoni entrino a far parte in misura considerevole e in
modo talvolta anche invadente, costituendo il substrato delle nostre azioni e
del nostro pensiero.
Alla fisica e alla percezione del suono
sono dedicate le pagine del sito Soundry raggiungibile all'indirizzo http://library.thinkquest.org/19537/Main.html
Si parte innanzitutto dallo studio
dell'anatomia e della fisiologia dell'orecchio umano osservando come questo
riesca a catturare e a interpretare i suoni, inserendoli e contestualizzandoli
in una determinata scena o panorama uditivo. Successivamente (ma l'ordine degli
argomenti nelle opere multimediali è apparente) vengono indagate le proprietà
fisiche delle onde sonore, quali la frequenza, l'intensità, l'ampiezza, la
velocità e la caratterizzazione nei vari mezzi, attraverso i fenomeni della
rifrazione e dell'interferenza costruttiva o distruttiva con i battimenti. Ad
esempio si scopre che il livello di un suono è misurato in decibel (dB) secondo
una scala logaritmica che tiene conto proprio della sensibilità con cui
l'orecchio umano percepisce i suoni.[1]
La soglia di ascolto è posta a 0db mentre
quella del dolore si trova a 120db così che la nostra vita sonora è collocata
all'interno di questo intervallo (vedi tabella 1).
Ma per ben caratterizzare il suono
rispetto alla nostra percezione uditiva occorre tenere conto della frequenza.
In figura 5 è riportata, per una stessa altezza[2],
la variazione dell'intensità in funzione della frequenza.
La prima curva, in basso, evidenzia la
soglia di ascolto: si va da 1 kHz, cui corrispondono 0 dB, fino a 60 Hz dove il
livello dei decibel passa a 50. Solo una percentuale assai bassa di persone
(circa l'un per cento) può ascoltare suoni così bassi, pertanto questa curva funziona
bene per coloro che hanno un apparato uditivo più che buono.
La successiva (al centro del grafico)
rappresenta il cosiddetto orecchio medio, cioè la maggioranza delle persone,
infine quella superiore corrisponde alla soglia del dolore e risulta, tranne in
un punto a 4 KHz, abbastanza piatta. Dal fatto che tutte e tre le curve
evidenzino un minimo intorno a 4KHz si comprende come l'orecchio umano sia
particolarmente sensibile a questa frequenza.
Tab.1
Una sessione di lavoro è dedicata alle
applicazioni della scienza del suono nella vita di tutti i giorni, mentre
un'altra ripercorre l'evoluzione storica dello studio del suono e delle sue
applicazioni, dall'acustica degli strumenti classici fino alle moderne tecniche
digitali.
Figura 5
Nella sezione dedicata al laboratorio virtuale
è possibile interagire con numerose simulazioni attraverso le quali esplorare,
riprodurre e mettere alla prova i concetti precedentemente esaminati, con
l'ascolto di forme d'onda ed effetti sonori connessi ad interferenze e
battimenti, sintesi di armoniche con la costruzione di suggestivi paesaggi
sonori.
Il progetto
Micromondi (MicroWorlds) prevede la collaborazione fra il mondo della ricerca
avanzata (Laboratori di Berkeley) e quello dello scuola attraverso moduli di
studio e di lavoro sviluppati in rete per introdurre i ragazzi al mondo e alle
tecnologie dei nuovi materiali.
Al sito http://www.lbl.gov/MicroWorlds/module_index.html è possibile esplorare le caratteristiche fisiche che
possono rendere una certa sostanza duttile o dura, isolante o di elevata
conducibilità elettrica o quant'altro, in funzione degli usi e delle
applicazioni che desideriamo farne. Un altro modulo riguarda l'utilizzo dei
polimeri nella creazione di molti materiali di nuova concezione che offrono una
eccezionale resistenza alle deformazioni e alle lacerazioni. Ad esempio il Kevlar viene utilizzato nelle tute
antiproiettile in dotazione ai militari e alla polizia o nelle vele dei
windsurf, per resistere a particolari e assai intense sollecitazioni da parte
dei venti e delle correnti d'aria.
L'ultima sessione è gestita in
collaborazione con il centro di ricerca ALS (Advanced Light Source) ed è
rivolta allo studio dell'impatto ambientale di particolari sostanze inquinanti,
attraverso l'uso di moderne tecnologie spettroscopiche che usano la luce di
sincrotrone, costituita da fasci di radiazione particolarmente compatta ed
intensa prodotta ai laboratori di Berkeley.
Un fisico ricercatore del California
Institute of Tecnology, Kenneth G. Libbrecht, è l'autore e lo sviluppatore di
un bellissimo sito dedicato allo studio dei fiocchi e dei cristalli di neve http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals, con numerose immagini e fotografie che invitano ad
esplorare e a comprendere l'inconsueto mondo dei cristalli, denso di
strutture affascinanti e complesse in
cui la simmetria gioca un ruolo fondamentale. (fig. 6)
Che cosa è all'origine di tali forme? In
che modo avviene la formazione dei cristalli? Perché l'acqua in fase di
congelamento esibisce questo strano comportamento?
Per rispondere a queste e a tante altre domande
occorre indagare la fisica che governa l'accrescimento dei cristalli che copre
un intervallo alquanto ampio di conoscenze, dallo studio della struttura
intrinseca del ghiaccio fino alla complessa fenomenica che va sotto il nome di
instabilità strutturale.
Figura 6
La formazione dei cristalli di neve
riguarda una eccezionale varietà di forme correlate alla insolita struttura
superficiale del ghiaccio, ancora non del tutto compresa dagli scienziati.
In prossimità del punto di fusione il
ghiaccio subisce una transizione superficiale, che si traduce nella creazione
di uno strato di tipo liquido responsabile delle insolite proprietà del
ghiaccio e del suo comportamento, anche in relazione alla formazione e
all'accrescimento dei suoi cristalli.
Questi ultimi sono studiati anche
attraverso l'uso di campi elettrici che influenzano il modo in cui le molecole
di acqua diffondono attraverso l'aria in prossimità della superficie del
ghiaccio. Infatti le molecole di acqua possiedono un momento di dipolo
elettrico intrinseco per cui appropriati campi elettrici esterni riescono a
influenzare e a polarizzare le molecole ridistribuendo la forma del cristallo.
La fisica dei cristalli di neve trova
altre affinità e analogie strutturali in alcune tematiche relative ai sistemi
complessi e alla dinamica dei fenomeni non lineari. Le regole che governano
questi fenomeni non sono del tutto chiare per cui lo studio di questi processi
costituisce anche una notevole sfida intellettuale.
L'impellente bisogno di nuove fonti di
energia alternative pulite e rinnovabili costituisce un grosso problema cui
deve fare fronte la nostra civiltà. A questo proposito da anni si sperimentano
con alterno successo una serie di processi per la produzione di energia che
trae origine dalla fusione nucleare. In questo ambito le maggiori problematiche
per la produzione di energia a livello industriale, sono connesse con il
cosiddetto confinamento del plasma il cui controllo risulta fondamentale per la
costruzione delle centrali. La fisica del plasma pertanto, costituisce uno
sfondo interessante, attraverso il quale fare indagare le proprietà del quarto
stato della materia, quello cioè di un particolare gas comprendente un numero
eccezionale di particelle elettriche in moto e non interagenti.
In quest'ambito si inserisce proprio il
progetto IPPEX (Internet Plasma Physics Education eXperience) all'indirizzo http://ippex.pppl.gov/, costituito da quattro moduli di riferimento: elettricità
e magnetismo, materia, energia e fusione, attraverso i quali sviluppare e
approfondire online in modo semplice ed essenziale i principi fisici
riguardanti la moderna produzione di energia
da fusione nucleare.
Il sito risulta ben organizzato e
introduce gli argomenti in modo piano, con immagini accattivanti e con
l'ausilio di applet Java di notevole immediatezza, con test e verifiche posti a
conclusione delle sessioni. Il laboratorio prevede anche una fase di analisi
dei dati da esperimenti passati e recenti in modo da avvicinare concretamente i
ragazzi al mondo della ricerca ed alle principali questioni connesse con la
produzione di questo tipo di energia. In figura 7 è riportata l'immagine
relativa alla simulazione Virtual Tokamak
con la quale si apprendono i principi relativi al confinamento magnetico del
plasma in un reattore a fusione nucleare. La simulazione, il cui principale
intento è di mostrare la difficoltà di tale confinamento, visualizza una
sezione trasversale del reattore (tokamak) dentro il quale è inserito il plasma
al cui controllo sono preposti dei magneti
che possono essere spenti o accessi con un clic del mouse. La forza
repulsiva esercitata dai essi sul gas deve essere tale da evitare che questo
possa colpire le pareti dello stesso
reattore disintegrandolo. L'animazione in questo caso consente anche di misurare la
propria abilità nell'evitare l'autodistruzione, attribuendo un punteggio
(score) alle operazioni effettuate.
Figura 7