Guida

 

Piccola guida alla sperimentazione sui
moti rettilinei

 

 
INTRODUZIONE


  Si tratta di una breve introduzione alla sperimentazione sui moti rettilinei.

  Sono indicati i materiali che si possono utilizzare, le precauzioni da prendere e le metodologie da seguire.


sommario

 

 

 

 

 

 

 

 

 
APPARATO SPERIMENTALE


  Qualunque studio sperimentale richiede un'accurata scelta dell'apparecchiatura da usare. Il fenomeno in studio, infatti, deve essere tipizzato al massimo eliminando o rendendo minime tutte le cause di perturbazione che potrebbero alterarne lo svolgimento.

  Da un punto di vista didattico si richiede inoltre che l'esperimento sia:

  Inoltre deve essere facile e sicura la rilevazione dei dati sperimentali ed altrettanto semplice e veloce la loro gestione.


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RIDUZIONE DELL'ATTRITO


  La principale causa di perturbazione, in uno studio del moto, è evidentemente l'attrito; un buon dispositivo sperimentale pertanto deve riuscire ad eliminare o a ridurre considerevolmente l'attrito.

  Questo può essere ottenuto in diverse maniere:


 
CARRELLO CON RUOTE

 

  E' la soluzione più semplice per ridurre la forza d'attrito, sostituendo all'attrito radente quello volvente.

  L'attrito residuo può essere compensato da una leggera inclinazione della pista sulla quale si muove il carrello.

  Per ottenere con sicurezza un moto rettilineo si può utilizzare una rotaia sulla quale il carrello può scorrere.

  Il difetto più consistente sta nell'avere masse ruotanti che possono creare problemi (ad esempio quando si vuole evidenziare l'energia cinetica).


 
DISCO A GHIACCIO SECCO

 

 Il disco a ghiaccio secco è costituito da un disco di metallo sul quale è fissato un serbatoio contenente ghiaccio secco (anidride carbonica solida).

  Il ghiaccio secco, sublimando, produce gas di anidride carbonica che fuoriesce da un forellino al centro del disco. Si forma così, tra disco e superficie di appoggio, (molto liscia, tipicamente una lastra di cristallo) un cuscino di gas che tiene leggermente sollevato il disco dal piano di appoggio. Si ottiene quindi un movimento praticamente senza attrito.

  Il maggior difetto, nell'uso didattico, è costituito dalla necessità di produrre, di volta in volta, il ghiaccio secco.


 
TAVOLA O ROTAIA AD ARIA

  Funzionano sullo stesso principio di un cuscino gassoso tra corpi in movimento reciproco. Presentano le caratteristiche positive del disco a ghiaccio secco, senza i difetti. Il cuscino che si forma tra disco e tavola o tra carrello e rotaia è prodotto dall'aria che, tenuta a pressione da un compressore, fuoriesce da una serie innumerevole di forellini praticati sulla superficie del tavolo o della rotaia.

  La rotaia permette di ottenere molto agevolmente un moto rettilineo e può essere inclinata di un angolo sufficientemente grande (senza che il carrello la tocchi) da permettere lo studio del moto su un piano inclinato.


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RILEVAMENTO DEI DATI SPERIMENTALI


  Le grandezze fisiche caratterizzanti un moto (e rilevabili sperimentalmente con maggiore facilità) sono posizione e tempo.

  I sistemi per il rilevamento dei dati sperimentali (spazio e tempo) possono essere a priorità degli spazi o a priorità dei tempi.


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SISTEMA A PRIORITA' DI SPAZI


  Il sistema a priorità degli spazi consiste nel predeterminare le posizioni in corrispondenza delle quali si farà la misura dei tempi. Si usa quindi un cronometro che viene fatto partire e fermare dal mobile in movimento mediante traguardi costituiti da contatti meccanici o magnetici o porte fotoelettriche.

  Difetti: per lo studio del moto non basta la conoscenza di un singolo intervallo di spazio con il relativo tempo impiegato; per cui risulta necessario disporre di diversi cronometri collegati a diversi traguardi (con notevole complicazione sperimentale) o ripetere varie volte il movimento, spostando di volta in volta il traguardo, con risultati sperimentali e didattici molto discutibili.


 
MULTITIMER

 

  Può essere comunque utilizzato un cronometro multiplo, simile a quello mostrato in figura, collegato come nello schema.


 
INTERFACCIAMENTO AL COMPUTER

 

  Le porte fotoelettriche sono collegate tramite un'interfaccia ad un computer. Tramite il suo orologio interno vengono misurati gli intervalli di tempo.

  Normalmente alle interfaccia sono allegati dei programmi per l'elaborazione dei dati raccolti.

  Difetti: didatticamente il metodo presenta qualche controindicazione a causa dela raccolta automatica dei dati, salvo non lo si utilizzi come confronto per il lavoro manuale fatto dagli allievi.


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SISTEMA A PRIORITA' DI TEMPI


  Il sistema a priorità degli spazi consiste nel predeterminare intervalli di tempo fissi in corrispondenza dei quali si farà la misura delle distanze percorse.


 
MARCATEMPO E NASTRO DI CARTA

  Il marcatempo è costituito da un vibratore (i primi marcatempo artigianali erano costituiti da un campanello elettrico modificato) cui è fissata una punta che, ad intervalli costanti di tempo, lascia dei segni su un nastro di carta trascinato dal corpo in moto.

  Lo spazio percorso viene misurato sul nastro ed il tempo impiegato si ottiene come somma dei tempi elementari tra due punti contigui.

  Difetti: il periodo è quasi sempre fisso (in genere 1/100 s, legato alla frequenza della corrente elettrica); il nastro trascinato dal mobile crea problemi pratici nell'effettuazione della misura e può perturbare facilmente il moto del corpo.


 
SCINTILLATORE E NASTRO TERMOSENSIBILE

  Lo scintillatore produce periodicamente impulsi di alta tensione che fanno scoccare delle scintille tra un baffo metallico collegato al carrello ed un nastro metallizzato disposto lungo la rotaia. Il nastro si annerisce in corrispondenza di ogni scintilla.

  Il rilevamento dei dati avviene, come col marcatempo, misurando direttamente lo spazio tra un punto e l'altro e sommando gli intervalli di tempo elementari.

  Vantaggi rispetto al marcatempo:

  Lo scintillatore permette di scegliere, entro limiti abbastanza vasti, il valore dell'intervallo di tempo da usare.
 Il nastro termosensibile, non venendo trascinato dal mobile, non perturba in alcuna maniera il moto.


 
FOTOGRAFIA STROBOSCOPICA
 

  Il carrello si muove al buio di fronte a una macchina fotografica con l'otturatore costantemente aperto.

  Uno stroboflash emette periodicamente dei lampi di luce che impressionano sulla pellicola le posizioni assunte in quegli istanti da un indicatore fissato sul carrello.

  Se sul percorso del carrello viene fissata una scala metrica, su di essa si possono leggere le posizioni assunte dal carrello istante per istante, mentre i tempi vengono ottenuti, anche qui, come somma di tanti periodi quante sono le posizioni raggiunte.

 

  E' necessario disporre di una fotocamera a sviluppo immediato; è necessario operare al buio (anche se il dispositivo sperimentale potrebbe essere modificato illuminando costantemente il carrello e disponendo un disco stroboscopico davanti all'obiettivo della macchina fotografica).

  Difetti : il dispositivo sperimentale e l'esecuzione della prova sono abbastanza complessi.


 
CAMERA A CCD
 

  Si applica al corpo in movimento una striscia autoadesiva che riflette gli impulsi luminosi emessi dai LED e la camera li usa come punti di riferimento della posizione dei corpi.

  La camera é collegabile direttamente al computer ed é dotata di software per l'elaborazione dei dati.

  L'esperienza non presenta alcun problema di illuminazione.


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GESTIONE DEI DATI SPERIMENTALI


  Qualunque sia il metodo adottato, alla fine dell'esperienza si hanno a disposizione i valori di spazio e di tempo e, in dipendenza degli strumenti usati, i relativi errori sperimentali.

 La gestione dei dati sperimentali consiste nel:

  • calcolare velocità ed accelerazione,
  • tracciare i grafici spazio - tempo, velocità - tempo ed, eventualmente, accelerazione - tempo,
  • individuare, dai valori calcolati e dai grafici tracciati, il tipo di moto,
  • scrivere, se possibile, le leggi del moto.


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