IL TEMPO NELLA
SCIENZA
• Gli strumenti di
misurazione
• Le unità di misura
Curiosità
Gli strumenti di misurazione
del tempo
• La meridiana
• L’ orologio al quarzo
• Il pendolo
• L’orologio atomico
LA MERIDIANA
La meridiana è uno strumento
di misurazione che sfrutta
la posizione del sole per
segnalare l’ora questo è
permesso dall’ ago
della meridiana
che segna
l’ ora sul quadrante
Le meridiane erano già
conosciute
dagli EGIZI e in seguito dai
ROMANI e dai GRECI.
IL PENDOLO
Il pendolo semplice o
matematico è un
sistema fisico costituito
da un filo inestensibile
e da una massa
puntiforme. Questo
sistema è stato reso
celebre da Galileo
Galilei che lo ha
descritto definendolo
isocrono.
OROLOGIO AL QUARZO
L’ orologio al quarzo è
un tipo di orologio in
cui la misura dello
scorrere del tempo è
determinata dalle
oscillazioni di un
cristallo di quarzo.
Oggi gli oscillatori
sono in ceramica per
risparmiare
economicamente.
Storia dell’ orologio al quarzo
Il primo orologio al
quarzo apparve nel
1928 negli Stati uniti;
la prima
sperimentazione
importante ci fu a
Greenwich nel 1939. I
primi orologi erano
ingombranti e costosi
solo nell’ 1971 entrò
in commercio.
OROLOGIO ATOMICO
Nell’ orologio atomico la
base del tempo è
determinata dalla
frequenza di risonanza di
un atomo
(vedi Orologio di Giove B)
Le unità di misura del tempo
Secondo
Giorno
Anno
Operazioni con le unità di misura
del tempo
Il secondo astronomico
Il secondo astronomico corrisponde a 1/86400 del giorno.
La determinazione del valore del secondo con metodi
astronomici presenta però alcuni inconvenienti, per una
misurazione precisa si richiedono almeno tre anni.
Dal 1972 si adotta per la misura del secondo un campione
standard di riferimento su scala atomica.
Il secondo nel Sistema
Internazionale
Il secondo è definito come la
durata di 9192631770 periodi
della radiazione emessa da un
atomo di cesio 133 radioattivo.
Questa ha un valore molto simile
a quella del secondo
astronomico, ma ha una
precisione superiore. Ha anche il
vantaggio di poter essere usata
per rilevare le piccolissime
variazioni del moto terrestre,
confrontando la posizione della
Terra con il tempo atomico.
Il campione primario
del secondo è
costituito da un
orologio al cesio.
Il giorno
Il metodo più antico per valutare il trascorrere del tempo è
rappresentato dall’alternanza del giorno e della notte. Il
moto apparente del Sole attorno alla Terra è in realtà
determinato dalla rotazione della Terra attorno al proprio
asse e fissa una delle principali unità di misura del
tempo: il giorno.
Diversi tipi di giorno:
• il giorno solare è il
tempo impiegato dal Sole
a tornare
quotidianamente alla
stessa altezza nel cielo.
• il giorno sidereo è il
tempo di rotazione della
Terra riferito alle stelle.
• Il giorno solare medio
si ottiene facendo la
media di tutti i giorni
solari dell’anno.
Giorno solare
Il giorno solare è il tempo
che il Sole impiega, con il
suo moto apparente, a
tornare quotidianamente
alla stessa altezza nel
cielo, cioè il tempo che
intercorre tra due
successive culminazioni
del Sole su una certa
località.
Il giorno solare ha una durata irregolare nel corso dell’anno.
La velocità della Terra
intorno al Sole, infatti,
non è costante essendo
l'orbita ellittica (II legge di
Keplero): la Terra si
muove sull’orbita attorno
al Sole con velocità
variabile quindi l’angolo
compiuto con il moto di
rivoluzione non è sempre
lo stesso e di
conseguenza la durata
del giorno solare cambia
durante l’anno.
Quando la Terra si trova
presso il perielio la sua
velocità è massima, lo
spostamento sull’orbita è
massimo ed essa deve
compiere un piccolo
supplemento di rotazione
perché si riveda il Sole
nella stessa posizione.
Presso l’afelio la
velocità della Terra
sull’orbita si riduce e il
giorno solare ha una
durata di poco minore.
• Il giorno sidereo rappresenta
la durata della rotazione
terrestre rispetto ad una
stella che ci invia un fascio di
raggi praticamente paralleli
tra loro poiché la stella si
trova ad enorme distanza
dalla Terra.
• Il giorno sidereo dura
esattamente 23 ore, 56
minuti e 4 secondi, circa 4
minuti meno del giorno
solare.
• L’uso del giorno sidereo
comporterebbe differenze
con la posizione del Sole,
poiché questo sfasamento
aumenterebbe nel corso
dell’anno.
Giorno sidereo
Il giorno solare ha una durata
maggiore rispetto al giorno
sidereo, infatti, mentre compie
una rotazione, la Terra si muove
anche lungo l’orbita attorno al
Sole. Per poter rivedere il Sole
nella stessa direzione, dopo una
rotazione completa, occorre
quindi che la Terra ruoti ancora
di un certo angolo (pari a quello
compiuto con il moto di
rivoluzione). Il giorno solare
comprende anche quel piccolo
intervallo di tempo in più rispetto
alla rotazione terrestre.
Il giorno solare medio
Per eliminare l’inconveniente della sua
diversa durata nei vari periodi dell’anno, si
è convenuto di adottare come riferimento
il giorno solare medio, che si ottiene
facendo la media di tutti i giorni solari
dell’anno. Il giorno solare medio é stato
poi suddiviso nelle 24 ore di uso comune.
L’anno
L’anno è un’importante unità di
misura del tempo, essa è
determinata dal moto di
rivoluzione della Terra attorno al
Sole.
I diversi tipi di anno:
• Anno sidereo
• Anno solare
• Anno civile
Anno sidereo
L’anno sidereo corrisponde all’intervallo di tempo che
passa tra due congiunzioni successive del Sole con la
medesima stella.
Tale intervallo di tempo è di 365 giorni, 6 ore, 9 minuti e 10
secondi.
L’anno solare
L’anno solare è il tempo che intercorre tra due passaggi
successivi del Sole allo Zenit dello stesso tropico, cioè tra
due solstizi con lo stesso nome (o tra due equinozi dello
stesso nome). La durata dell’anno solare è influenzata dal
fenomeno della precessione lunisolare.
A causa della precessione lunisolare, gli equinozi e i
solstizi si verificano ogni anno un po’ prima che la Terra
abbia completato la sua rivoluzione attorno al Sole . Per
questa ragione l’anno solare è un po’ più breve di quello
sidereo: dura 365 giorni, 5 ore, 48 minuti e 46 secondi.
Precessione degli equinozi
La precessione degli equinozi consiste nella variazione
dell’orientazione dell’asse terrestre rispetto ad un
sistema di riferimento solidale con le stelle fisse. Un
moto simile a quello di una trottola.
La durata di un ciclo completo di
precessione, ovvero il tempo
che l’asse di rotazione
impiega per compiere un giro
intorno alla perpendicolare al
piano dell’eclittica, per il
nostro pianeta è di circa
25.700 anni.
Il moto di precessione dell’asse
terrestre ha diverse
conseguenze:
lo spostamento dei poli celesti,
lo spostamento dei punti
equinoziali lungo l’eclittica:
ogni anno gli equinozi
anticipano di circa 20 min.
(ecco il perché del nome di
precessione degli equinozi).
L’anno civile
L’anno civile è di 365 giorni esatti e su di esso si basano
i calendari.
Per tenere conto delle 6 ore scarse in più non contate
rispetto all’anno solare, ogni 4 anni è necessario
aggiungere un giorno. Per convenzione questo giorno è il
29 febbraio e l’anno in cui è presente questo giorno viene
chiamato anno “bisestile”.
Le operazioni con le unita’ di
misura del tempo
L’esecuzione delle operazioni
con le unità misura del tempo
richiede particolari
accorgimenti, gli stessi che si
utilizzano per le operazioni con
le unità di misura usate per
l’ampiezza degli angoli.
L’addizione
Disponiamo gli addendi l’uno sotto l’altro in modo che
le unità dello stesso ordine risultino in colonna;
calcoliamo poi le somme parziali.
Infine, se il risultato ottenuto non è in forma normale, lo
riduciamo in tale forma.
La sottrazione
Disponiamo il sottraendo sotto il minuendo, in
modo che unità dello stesso ordine risultino
in colonna; calcoliamo quindi le differenze
parziali.
La moltiplicazione
Moltiplichiamo il numero delle unità di ciascun
ordine separatamente; quindi, se il risultato non
è in forma normale, lo riduciamo in tale forma.
La divisione
Dividiamo per l’intero il numero delle unità di ordine maggiore; il
quoziente ottenuto è il primo termine del quoziente cercato.
Trasformiamo l’eventuale resto in unità dell’ordine immediatamente inferiore e sommiamo queste unità a quelle del
medesimo ordine del dividendo. Dividiamo per l’intero le unità di
questo ordine. Procediamo così di seguito per le unità di ogni
ordine.
CURIOSITA’
• Anno bisestile
• La teoria della relatività
• L’ orologio di Giove B
• La storia della Terra in un anno
Anno bisestile
L’anno solare dura 365 giorni, 5 ore, 48 minuti e
46 secondi, qualcosa di più dei 365 giorni
corrispondenti all’anno civile. Questa differenza
comporterebbe una sfasatura tra la data del
calendario e l’effettiva posizione della Terra
rispetto al Sole. Per tenere conto delle quasi 6 ore
in più non contate, ogni 4 anni è necessario
aggiungere un giorno – per convenzione, il 29
febbraio – e si ha un anno detto “bisestile”.
Aggiungere un giorno ogni quattro anni è come dire 6
ore ogni anno; e si è visto che in realtà l’anno solare
dura solo 5 ore, 48 minuti e 46 secondi in più, ci sono
cioè circa 11 minuti in meno delle 6 ore.
Come ulteriore bilanciamento,
allora, si convenne che gli anni
secolari non siano bisestili, a
meno che la cifra che precede
gli ultimi due zeri non sia
divisibile per 4: il 1700, il 1800 e
il 1900 non sono stati bisestili
perché 17, 18 e19 non sono
divisibili per 4; il 2000 è stato
bisestile perché 20 è divisibile
per 4.
La vita di Einstein
Albert Einstein, l’uomo che avrebbe
lavorato alla teoria della relatività, nacque
a Ulm, in Germania, nel 1879.
Si diplomò a Zurigo nel 1900 in un
prestigioso istituto tecnico.
Due anni dopo riuscì a procurarsi un
modesto impiego presso l’ ufficio brevetti di
Berna.
Mentre svolgeva il suo lavoro, scrisse tre
articoli che cambiarono la concezione del
tempo, dello spazio e dell’ intera realtà nei
quali era anche scritta e spiegata la teoria
della relatività...
La teoria della relatività
Con la teoria della relatività si dovette abbandonare l’ idea
che vi fosse una grandezza universale chiamata tempo,
misurata da tutti gli orologi. Ciascuno aveva il suo tempo
personale. I tempi di due individui erano gli stessi se i due
stavano fermi l’ uno rispetto all’altro, ma non se erano in
movimento.
La teoria è stata confermata da diversi esperimenti. Per
esempio due orologi di grande precisione furono collocati su
due aerei (un orologio per aereo) che volavano intorno alla
Terra in direzioni opposte e, al ritorno si riscontrò che
segnalavano un’ ora leggermente diversa rispetto all’ altra.
Volendo vivere più a lungo, dunque, si potrebbe continuare a
volare verso est, in modo che la velocità dell’ aereo si
aggiungesse alla velocità della rotazione della terra.
Una conseguenza assai importante della relatività è il rapporto fra
massa ed energia...
… dal postulato di Einstein secondo cui la velocità della luce è
identica per tutti gli osservatori discende che niente si muove più
rapido della luce.
Quando si usa energia per accelerare un corpo, sia questo una
particella o un’astronave, la massa del corpo aumenta, rendendo
più difficile accelerarlo ancora. È impossibile accelerare una
particella fino alla velocità della luce, perché occorrerebbe una
quantità infinita di energia.
La massa e l’ energia sono equivalenti, come dice la famosa
equazione Einsteiniana E=mc²
Il paradosso dei gemelli
Nella teoria della relatività, ciascun osservatore ha il proprio
tempo personale, il che conduce al cosiddetto paradosso dei
gemelli.
Un gemello (a) parte per un viaggio spaziale durante il quale
procede a una velocità vicina a quella della luce (non pari o
oltre perché come abbiamo già spiegato è impossibile
accelerare un qualsiasi corpo a tale velocità), mentre suo
fratello resta sulla terra.
A causa del moto di (a), il tempo scorre più lentamente sull’
astronave com’ è vista da (b) rimasto sulla terra, sicché, al
suo ritorno, l’astronauta (a) troverà che il gemello (b) è
invecchiato più di lui.
L’orologio di Giove B
Il 27 Aprile scorso è stato lanciato,
dalla base di Baikonour in Kazhakstan,
il satellite Giove B, il secondo satellite
per la convalida in orbita di Galileo che
è il sistema di navigazione satellitare
che la commissione Europea e l’Esa
(Agenzia Spaziale Europea) stanno
sviluppando.
Se i tempi saranno rispettati nel 2013,
dopo il lancio di molti altri satelliti,
l’Europa entrerà in possesso di un
sistema autonomo e indipendente per
la navigazione da satellite, Galileo è
appunto il suo nome, che potrà contare
su 30 satelliti in tre orbite diverse.
Galileo è il più sofisticato sistema di navigazione satellitare
mai realizzato e utilizzerà orologi atomici prodotti in Italia.
Giove B trasporta un carico
tecnologicamente
fondamentale per lo sviluppo
dell’intero progetto e tra i vari
dispositivi porta nello spazio
per la prima volta un orologio
atomico a Maser.
Nell’orologio di Giove B un maser passivo a idrogeno
(Maser cioè uno strumento che amplifica e genera radiazioni
elettromagnetiche nel campo delle microonde per
l’emissione di radiazioni da parte di nuclei di idrogeno)
sfrutta il fatto che l’atomo di idrogeno può essere stimolato a
emettere una frequenza che stimola nuovi atomi a fare
altrettanto.
E’ come se si generasse
un
pendolo
atomico
molto regolare che può
essere utilizzato come
base di un conteggio del
tempo molto preciso, con
un errore di circa 10
miliardesimi di secondo
in 24 ore, che corrisponde a un errore di un
secondo dopo circa 3
milioni di anni.
Tutta la vita sulla terra in un
anno
Quando si parla della vita della terra spesso si
parla di miliardi di anni, perciò per facilitare la
vostra concezione del tempo abbiamo
condensato la vita della terra in un anno
Tutta la vita sulla terra in un
anno
Esattamente come nella vita della terra
abbiamo fatto con la vita sulla terra ossia da
quando si formò il primo batterio (circa
4.500.000.000.anni fa) fino alla comparsa
dell’uomo.
•
•
•
Nasce la terra
Nascono i vulcani
Nasce l’atmosfera
•Nascono i fiumi
•Nascono gli oceani
•Inizia la sedimentazione
•Accade un fatto inatteso :
nasce la vita sulla terra
•
•
•
Nascono i batteri
Nascono le alghe
Continua l’evoluzione
sulla terra e degli
esseri viventi
•Le alghe arricchiscono l’atmosfera di ossigeno
•I batteri si diffondono
• Nascono le prime catene montuose
• Avviene la prima glaciazione
•Nascono i primi organismi unicellulari
•Aumenta la variabilità fra le specie viventi
L’evoluzione della terra continua lentamente
• L’ evoluzione della terra continua
lentamente
• L’ evoluzione della terra continua
lentamente
L’ aria diventa respirabile
• Il 17 di novembre nascono i primi
organismi dotati di corazza
• E solo 3 giorni dopo nacque il primo
pesce
• Passarono 5 giorni e le sorprese non
smisero proprio quel giorno nacque la
prima pianta terrestre
• Il 30 di questo mese nacque il primo
anfibio
• Il 30 di questo mese alle 13:00
nacquero le prime ammoniti
che domineranno gli oceani
• Il 4 Dicembre alle 8:00 compare il primo
rettile
• Dopo qualche giorno il 7 di Dicembre
alle 4:00 si estinsero i trilobiti
• Alle 14:00 del 10 dicembre ecco
che nasce il primo dinosauro
• Il 13 Dicembre alle 16:00 nascono
gli uccelli e i primi mammiferi
• Il 19 Dicembre compaiono i primi
fiori
una foglia e un fiore fossili di 50 milioni di anni fa
• Però il giorno di Natale alle 14:00
scompaiono i dinosauri insieme
alle ammoniti
• Dopo la scomparsa dei dinosauri gli
altri piccoli animaletti che sono resistiti
all’estinzione si evolsero e già il 26
Dicembre nacquero i roditori e i primi
carnivori
Ehoippus - Il primo cavallo
• Inoltre il giorno dopo diventarono
maiali, rinoceronti e tapiri
• Il primo ominide invece nacque solo
l’ultimo giorno dell’anno alle 10:30.