LE QUATTRO
FORZE
FONDAMENTALI
La forza di attrazione gravitazionale
e la forza elettromagnetica
Alunni: Geraldo & Mariachiara Classe 1B Alberghiero – Porto
Sant’Elpidio (FM)
Tutor: prof. Pierluigi Stroppa
Obiettivi di conoscenza e competenza
•Conoscere le 4 forze fondamentali
•Approfondire la conoscenza delle forze di
attrazione gravitazionale ed elettromagnetica
•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
• Confrontare tra loro le forze di attrazione
gravitazionale e la forza elettromagnetica
• Saper organizzare una videopresentazione per un
convegno
Metodologia
• Lezioni frontali partecipate con uso di
campioni
• Lavori di gruppo, role playing
• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete
• Invito alla produzione di videopresentazioni
Mezzi e strumenti
• Libri di testo e riviste scientifiche
• Laboratorio scientifico
• Personal computer e videoproiettore
• 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
F=G
m1 x m 2
d2
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
Effetto dell’attrazione gravitazionale
del Sole sui pianeti del sistema solare
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.
Impatto di un meteorite
(Barringer Crater,
Arizona, 1 km di larghezza),
22.000 anni fa
VARIAZIONE della FORZA GRAVITAZIONALE
in funzione della MASSA e della DISTANZA
m1 . m2
f
d2
Massa 1
Massa 2
Distanza
Forza
m1
m2
d
f
8
5
2
10
16
5
2
20
16
5
4
5
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!
VELOCITA’ DI FUGA
Se la velocità iniziale é
abbastanza elevata il corpo non
ricadrà più sulla Terra.
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
• Le linee di forza del CMT ci proteggono dal
vento solare
Da www.teschio.net/foto/magnetico
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….
• ...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?
• 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!
BIBLIOGRAFIA
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
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°9settembre 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