Linee di scienza

Fra poco spiegherò in classe le onde, gli oscillatori, i pendoli, la luce… e le lucciole sono un ottimo “campo di osservazione” di tutti questi concetti.

Bioluminescenza
Prima di tutto le lucciole sono interessanti per il fenomeno della bioluminescenza, l’emissione di luce da parte di organismi viventi, un esempio perfetto di biofisica! Ho trovato in rete una pagina web che sintetizza i punti salienti del processo di emissione luminosa (che implica la proteina luciferina, l’enzima luciferasi ecc.) e che oltre a presentare bellissime immagini, accenna anche all’aspetto termodinamico del fenomeno: dal punto di vista energetico infatti «l’efficienza delle lucciole è di circa il 90%» contro il 10% delle lampadine comuni, il 20% delle luci fluorescenti e il 30% dei Led. La pagina web si intitola bioluminescenza e contiene molte informazioni, come le applicazioni del test della bioluminescenza nei laboratori di ematologia o microbiologia. Si legge anche che in Asia e in America Centrale e Meridionale i coleotteri luminescenti venivano utilizzati per illuminare case e giardini. Come nel seguente video, molto suggestivo:

Sincronizzazione
Il legame di questo strano coleottero con la fisica e la matematica  risiede nel fenomeno della “sincronizzazione”.
Come si legge nella pagina web dell’Infn di Catania dedicata alla notte dei ricercatori che affronta i fenomeni caotici, «migliaia e migliaia di lucciole che, nelle lunghe notti tropicali, lampeggiano all’unisono immerse nella vegetazione che costeggia i fiumi, sono un altro esempio di sincronizzazione spontanea nel mondo animale». Molti video su youtube riprendono il fenomeno (ho segnalato alcuni link alla fine di questo post) che mostra alberi che si accendono e si spengono all’unisono come se fosse la notte di Natale!
Le lucciole si sincronizzano in maniera spontanea e i ricercatori hanno realizzato studi e simulazioni al computer per scoprire le cause di questo comportamento (che riguarda ad esempio anche gli stormi di uccelli o i branchi di pesci). Nella pagina web che ho appena citato, trovate il link a una di queste simulazioni: bisogna avere pazienza, ma dopo un po’ si osserveranno migliaia di puntini lampeggiare tutti insieme che producono un grafico (in basso a sinistra) con una curva oscillante periodica.

La sincronizzazione in meccanica è un aspetto poco conosciuto dei pendoli, degli oscillatori armonici: un buon modo per affrontare l’argomento con gli studenti può essere la tesi di laurea di Floriana Giannuzzi, laureata in Fisica nel 2004 all’Università degli Studi di Bari. Il titolo non deve spaventare: “Oscillatori anarmonici accoppiati” perché le prime parti della tesi sono molto discorsive e chiare, raccontano la storia della sincronizzazione con numerosi esempi. La tesi inoltre è disponibile on line gratuitamente, si scarica qui. Riporto di seguito alcune parti molto utili a mio parere per impostare il discorso sul tema:
«La scienza della sincronia è nata nel IV secolo avanti Cristo, quando Androstene, scriba di Alessandro Magno, sulla strada per l’India osservò che le foglie degli alberi di tamarindo si aprivano sempre durante il giorno e si chiudevano la notte. Un altro esempio storico è dato dalle osservazioni di Huygens. Il grande scienziato nel 1665 fu attratto da un fenomeno che lo incuriosì: due pendoli, appesi ad una parete della sua camera da letto, inizialmente non sincronizzati, dopo un po’ di tempo oscillavano insieme, avvicinandosi e separandosi in direzioni opposte, quindi in opposizione di fase. Huygens scoprì che, anche se si disturbavano le oscillazioni dei due pendoli, essi, entro mezz’ora, ritornavano sempre in consonanza. Al contrario, dopo averli separati su due pareti diverse, in un giorno si sfasavano di ben cinque secondi.
Nel secolo scorso, si sono interessati ai fenomeni di sincronismo vari fisici del calibro di Albert Einstein, Richard Feynman, Brian Josephson e Yoshiki Kuramoto. Se ne sono occupati anche matematici come Norbert Wiener, biologi come Charles Czeisler e Arthur Winfree; il teorico del caos Edward Lorenz ed altri. L’obiettivo era capire come milioni di neuroni, criceti o lucciole riescano all’improvviso a tenere lo stesso passo, senza un leader né segnali esterni».
[…]
«Negli anni Sessanta alcuni scienziati si interessarono in modo particolare ad un caso di sincronia creato dalle lucciole: da 300 anni i viaggiatori provenienti dal Sudest asiatico raccontavano che enormi gruppi di lucciole si radunavano lungo le sponde dei fiumi e lampeggiavano tutte all’unisono e con un periodo costante. Ricerche successive hanno poi mostrato che sono i maschi a sincronizzarsi. Si pensa infatti che lo spettacolo sia un richiamo per le femmine, che altrimenti non riuscirebbero a vederli. Una possibile conferma a questa ipotesi è che la maggior parte degli episodi di sincronia sono presenti nelle zone caratterizzate da una fitta vegetazione, come la Thailandia o la Malesia. Inizialmente si pensava che ci fosse una specie di direttore d’orchestra, una lucciola che desse il tempo a tutte le altre. In realtà si è visto che, anche se vengono isolate, le lucciole continuano a lampeggiare con lo stesso ritmo: questo indizio potrebbe suggerire che esiste un orologio interno, un oscillatore non ancora individuato che controlla il lampeggiamento e capace di adattarsi al ritmo mostrato dalle altre lucciole. Per studiare direttamente questo fenomeno tanto singolare, il biologo Buck decise di recarsi in Thailandia; lì osservò un gruppo di lucciole che, inizialmente, lampeggiavano in modo scoordinato, poi, prima a gruppi di due, poi di tre, cominciarono a lampeggiare all’unisono. Col passare del tempo questi gruppi di sincronia crescevano spontaneamente, come se un numero sempre più grande di lucciole adattasse il proprio ritmo a quello delle altre, senza essere coordinato da un particolare leader. Successivamente, attraverso esperimenti in laboratorio, si dimostrò che impulsi luminosi esterni riescono a influenzare il lampeggiamento di una lucciola, come se quel suo oscillatore interno fosse in tal modo regolabile».
[…]
«Esistono molti esempi di sistemi che raggiungono la sincronia: sistemi biologici come, ad esempio, colonie di lucciole o di grilli; il sistema delle cellule pacemaker del cuore o di quelle cerebrali; sistemi inanimati come insiemi di particelle subatomiche o sociali, quali gli agenti di borsa che con la loro azione sincronizzata possono provocare i boom ed i crolli del mercato azionario. Esempio di sincronizzazione è anche dato dal modo di applaudire del pubblico di uno spettacolo che, dopo una fase transitoria, spontaneamente batte le mani all’unisono».
[…]
«Anche le applicazioni sono notevoli: il concetto di sincronia è stato sfruttato per la costruzione di orologi atomici altamente precisi, nella rete di distribuzione elettrica americana, per gli studi sulle malattie causate dalla fibrillazione, che si verifica quando la sincronia viene meno, come nel caso del cancro».

La Giannuzzi cita il libro di Steven Strogatz “Sync” tradotto anche in italiano con il titolo “Sincronia. I ritmi della natura, i nostri ritmi”. Vi consiglio di ascoltare la seguente conferenza tenuta da Strogatz in persona, perché oltre a essere un esercizio di Inglese è anche molto divertente e suggestiva, con molti video e dimostrazioni: dagli stormi in volo nei cieli, o da una semplice dimostrazione di come si possano far sincronizzare due metronomi, fino al celebre caso del Millennium Bridge di Londra (un ponte che purtroppo oscillava troppo! Ne avevo parlato ai tempi anch’io in un articolo sulla rivista erewhon) e una interessante simulazione finale che ne analizza le cause. La conferenza fa parte dei TEDTalks, durante i quali ricercatori e scienziati raccontano in soli 18 minuti le idee brillanti che animano la loro ricerca. Il taglio è divulgativo e molto ironico, vale la pena ascoltarle!! Ted significa Technology, Entertainment, Design: maggiori informazioni nella seguente pagina.

Link

• Una pagina di National Geographic dedicata alla lucciola
• Video su youtube che riprendono il fenomeno della sincronizzazione degli sciami di lucciole
  http://www.youtube.com/watch?gl=IT&hl=it&v=sROKYelaWbo
  http://www.youtube.com/watch?v=sC2OkCEdqU4&feature=related
• Video di alcuni pendoli accoppiati http://www.youtube.com/watch?v=kqOARsCJC-8&feature=related e di un’onda di pendoli http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=J8aUltZKW5Y&feature=endscreen entrambi realizzati da studenti

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Quest’anno mi concedo ben due post sulla mia passione: la bicicletta. Il primo era qui.
Ne parlo perché ho trovato un articolo molto interessante sul blog di Marco Cagnotti, che si intitola appunto “fisica & bicicletta”. Oltre a essere molto piacevole da leggere, questo post scritto da Andrea Signori, affronta il problema della stabilità della bicicletta sotto la lente della storia e della filosofia della scienza: si legge infatti «Alla bicicletta è stato applicato il cardine, il nocciolo, la componente fondante e insostituibile del metodo scientifico: la falsificazione di un’ipotesi. Già, perché quest’articolo, che riassume un lavoro lungo, cominciato nel 1985, dimostra che l’autostabilità della bicicletta non è dovuta, in ultima analisi, a nessuno dei motivi di cui sopra. Essi non sono necessari perché, dopo averli eliminati, è possibile costruire comunque una bicicletta stabile: il prototipo TMS (Two Mass Skate) ne è la dimostrazione». Scommetto che vi ho incuriosito! Il TMS è l’oggetto che potete osservare nell’immagine seguente:

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Una mia cara amica astrofisica e grande appassionata di fumetti mi segnala un articolo uscito il 19 maggio su arXiv.org (archivio Open Access dei preprint a cura della Cornell University) di Francesco Bagnoli e Francesco Saverio Cataliotti dell’Università di Firenze: il titolo è “Fisica e fumetti: Paperone ed il deposito sotterraneo”. Nell’abstract si legge: «I fumetti, come i film, spesso utilizzano idee scientifiche “fantasiose”. Non ci riferiamo qui alla violazione implicita delle leggi della fisica, cosa permessa in un mondo di fantasia, quanto piuttosto all’uso di spiegazioni fisiche errate che vengono usate in buona fede perché riflettono convinzioni molto diffuse, ma sbagliate, sull’interpretazione di fenomeni a partire dai principi fisici. D’altra parte questi errori possono servire a illustrare la corretta applicazione della fisica in una maniera molto più accattivante rispetto alla modalità tradizionale di presentazione. Analizziamo qui l’avventura Paperone ed il deposito sotterraneo di Pezzin e Cavezzano».
Non ho ancora letto tutto l’articolo, ma da quel poco che ho potuto scorrere, ho trovato già tantissime osservazioni interessanti e di sicura utilità per il lavoro in classe: credo proprio che lo lascerò come compito estivo ai miei studenti di terza scientifico…

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Il 22 aprile mi avete chiesto se era possibile avere il link del video per le leggi della dinamica del professor Lewin, del quale avevo parlato in un post. Eccolo qui: http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-01-physics-i-classical-mechanics-fall-1999/video-lectures/lecture-6/
Mi scuso per il ritardo… ho risposto con una certa inerzia, dato l’argomento, se mi perdonate la battuta
Il video è sottotitolato in inglese.

Per quanto riguarda i tre principi delle dinamica, è possibile trovare su youtube anche alcuni dei famosi filmati della fisica del PSSC del 1956, in bianco e nero e intramontabili (io ce li ho su CD e li faccio sempre vedere ogni anno), come il seguente: http://www.youtube.com/watch?v=BsCFM9ciI3o&feature=related
Sono tutti in italiano.

Per apprezzare infine la bellezza della dinamica, consiglio questo video  creato per una mostra sul terzo principio: le immagini sono in slowmotion.

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Ne ha parlato perfino il New York Times: le lezioni di Fisica del professor Walter H.G. Lewin sono impedibili! E non c’è neppure bisogno di fare il viaggio fino al Mit (il Massachusetts Institute of Technology) di Boston, possiamo vederle da tutto il mondo grazie a Internet.
Ogni video è sottotitolato, quindi le lezioni si seguono senza problemi, anzi, sono un ottimo esercizio di fisica e di inglese.
Io sono particolarmente affezionata alla sua lezione sui fluidi perché mi è stata molto utile per il mio lavoro in classe, ma consiglio a tutti (insegnanti e studenti) di curiosare qua e là, sarà sempre una magnifica esperienza. L’indirizzo principale è questo, sulla meccanica classica.
“Spiegare vuol dire studiare di nuovo”, ho letto in un libro e anche “spiegare mi aiuta a pensare” (nel bellissimo romanzo “Uno semplice caso crudele” di Zeh Juli)… in questo caso, assistere alle spiegazioni di Lewin è come rivivere o vivere per la prima volta le esperienze che si incontrano nel mondo della fisica, anche perché le dimostrazioni pratiche (e soprattutto molto originali!! Si veda la foto nella quale sta spiegando il moto del pendolo!) non mancano mai alle sue lezioni e sono un suo “fiore all’occhiello” che le rende ancora più ricche.

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