Nino Martino, Carlo Ubertone
Che caratteristiche devono avere i risultati di un esperimento per poter dare luogo alla costruzione di una legge scientifica? Che cosa vuol dire fare una astrazione e perché è importante l’astrazione nella legge scientifica?
Coerentemente al metodo che useremo in questo corso di fisica sperimentale, per poter far comprendere in che cosa consiste il metodo scientifico, che sarà alla base di tutto il corso dei cinque anni di liceo, useremo degli esperimenti ( useremo lo studio di un fenomeno) per via via introdurre le caratteristiche di quello che la comunità scientifica chiama “metodo scientifico”.
Siamo partiti da una specie di gioco:
“cercate di immaginare di non avere mai visto oggetti che cadono. In realtà fin da quando eravate sul seggiolone e vi cadeva il ciuccio avete fatto esperienza di oggetti che cadono. Supponete invece di non aver mai visto oggetti che cadono”
Verifica:
“Tu, al primo banco, hai mai visto oggetti che cadono?”
“sì”
“nooo!” è il coro della classe
“e tu?”
“mai!”
A questo punto abbiamo accartocciato un pezzo di carta volenterosamente sacrificato alla scienza da una studentessa e lo abbiamo tenuto sollevato da terra tra le dita. Domanda:
“che cosa succede se allargo le dita?”
“Cade!” coro della classe
“ma come, se non avete mai visto prima cadere oggetti come fate a dirlo?”
“vero”
“allora cosa succede?”
“boh…”
Risposta corretta, non possiamo saperlo. A questo punto potremmo decidere il risultato dell’esperimento con una specie di salotto televisivo. Una persona può sostenere per esempio che il pezzo di carta è bianco, la luce che proviene dalla finestra è bianca quindi andrà sicuramente verso la finestra perché il bianco tende ad unirsi al bianco per vibrazione sincronica.
Invece un’altra persona potrà dire, per esempio, che la bellezza è nella immobilità, nella staticità delle cose, il pezzo di carta è bello nel suo essere bianco e quindi starà fermo per non rovinarsi la bellezza. La discussione diventerà sempre più aspra e il risultato dell’esperimento viene deciso dall’abilità dialettica e dalla capacità di aggredire e sopraffare il prossimo.
Qui si adotterà un altro “metodo”. Come facciamo a decidere? Semplice: proviamo.
Allargo le dita. Cade. Grande soddisfazione nella classe.
Adesso riproviamo a fare l’esperimento. Cosa succederà?
“Cade!”
E come faccio a saperlo? Ho fatto l ‘esperimento una sola volta, come faccio a dire che riprovando ottengo lo stesso risultato? Potrebbe succedere che una volta cade, la volta dopo va verso il soffitto, la volta dopo ancora fa una sorta di spirale laterale. Come faccio dunque a decidere quale sarà il risultato? Non c’è altra strada: bisogna rifarlo di nuovo.
Lo rifacciamo: cade ancora. Lo ripetiamo molte volte: ogni volta che lo facciamo il pezzo di carta cade. Sembra ragionevole adesso prevedere che lasciato libero il pezzo di carta cade, sembra di aver trovato una specie di regolarità nella natura. Ma facendo l’esperimento una volta succede che il pezzo di carta vola via, come mai? Uno studente risponde: “ci sarà il vento”. Certo. L’esperimento darà lo stesso risultato solo se le condizioni in cui avviene sono le stesse. Se cambio le condizioni, per esempio vado su una navicella spaziale in orbita, il pezzo di carta non cadrà. Nell’ambito di una classe con le finestre chiuse e in assenza di ventilatori possiamo prevedere la regolarità del risultato: l’oggetto lasciato libero a se stesso cadrà (avrete tempo poi per complicarvi la vita con il filosofo Hume, verso il quarto anno, ogni cosa a suo tempo).
Però potrebbe essere una proprietà “locale”. Potrebbe essere che sotto alla piastrella del pavimento ci sia una speciale calamita che attira i pezzi di carta. Come posso verificare che non è così senza sfasciare il pavimento? Mi sposto in un altro punto della stanza. E il risultato dell’esperimento è lo stesso.
Per poter prevedere una qualche “regolarità” di comportamento è necessario che
- l’esperimento dia, nelle stesse condizioni, lo stesso risultato
- l’esperimento dia lo stesso risultato in un qualunque altro posto nello spazio-tempo dove ci siano le stesse condizioni
Ci si potrebbe chiedere che senso abbia cercare delle “regolarità” nella natura che ci circonda. Ma anche qui possiamo fare un esperimento: chiedere a uno studente di uscire dalla finestra del quarto piano dello stabile. In genere, si spera, lo studente si rifiuterà, Perché si rifiuta? Perché ha già fatto molte volte e in diversi luoghi l’esperimento di uscire da una finestra del quarto piano? No, perché ha riscontrato una “regolarità” del comportamento degli oggetti nella natura che lo circonda e quindi fa una previsione di quello che potrebbe succedergli se esce dalla finestra. Se riusciamo in qualche modo a codificare simbolicamente le regolarità dei fenomeni naturali possiamo fare anche delle previsioni addirittura quantitative di quello che potrebbe succedere. Spesso si presenterà sotto la forma: “quando in certe condizioni succede A allora succederà B”. E potremo magari costruire cose inesistenti allo stato naturale, come i telefonini (proibiti in classe).
Ma andiamo oltre. Abbiamo preso due fogli di carta di quaderno identici. Uno lo abbiamo diviso a metà. La metà è più leggera del foglio intero evidentemente. Abbiamo appallottolato (in modo diverso, ma senza dirlo) sia la metà che il foglio intero. Mettendoli alla stessa altezza cosa succederà? Chi arriva per primo a terra? Che previsioni possiamo fare? Il coro è quasi unanime: cade per primo il corpo più pesante. Come possiamo vedere se l’ipotesi che fate è corretta? Si fa la prova. Cade prima il foglio più pesante.
E poiché vogliamo essere scientifici ripetiamo più volte l’esperimento e lo facciamo in diversi punti della classe. Il risultato è sempre lo stesso, cade prima il foglio più pesante. Allora possiamo scrive una prima legge “scientifica”:
i corpi pesanti cadono prima di quelli leggeri
E’ un po’ rozza ma sembra non male.
Adesso ripetiamo l’esperimento appallottolando in maniera diversa i due fogli di carta, il più grande molto e il più piccolo assai di meno di quello grande. Facciamo l’esperimento: cade prima quello più leggero, malgrado un possibile sconcerto (ma già qualcuno sussurra che c’è l’attrito, che il fatto dipende dalla forma), ripetiamo più volte l’esperimento, lo ripetiamo in diversi punti e ricaviamo una seconda “legge scientifica”:
i corpi leggeri cadono prima di quelli pesanti
Le due leggi, che pure soddisfano ai criteri di ripetibilità dell’esperimento e di indipendenza dal luogo dello spazio-tempo, sono in contraddizione fra di loro. Faccio notare che sono due insiemi di esperimenti incompatibili tra di loro, i due insiemi di esperimenti danno luogo a due leggi diverse, ma all’interno dello stesso insieme di esperimenti (determinato dal diverso arrotolamento dei pezzi di carta) c’è una unica legge, una unica regolarità.Che caratteristiche devono avere i risultati di un esperimento per poter dare luogo alla costruzione di una legge scieintifica? Che cosa vuol dire fare una astrazione e perché è importante l’astrazione nella legge scientifica?
Invece di affrontare il problema della contraddizione con il metodo del salotto televisivo, facciamo un altro esperimento apparentemente diverso.
Prendiamo il libro di fisica, che ha alcune buone caratteristiche, per esempio di essere abbastanza esteso. Sul libro di fisica appoggiamo un dischetto di sughero, un temperamatite di acciaio, una gomma per cancellare, un pezzettino minuscolo di carta. Se adesso facciamo cadere il libro cosa succederà agli oggetti posati sopra di esso, durante il volo e prima di cadere a terra? Quando il libro picchia sul pavimento succederà di tutto, evidentemente, ma noi siamo interessati a capire quello che succede mentre il libro cade. Dopo breve discussione la classe ha deciso che l’ipotesi più ragionevole è quella che gli oggetti si distaccano dal libro in maniera proporzionale alla loro leggerezza, quello più leggero durante il volo si distaccherà di più. Se la verità dovesse essere decisa a maggioranza questa volta è decisa quasi l’unanimità, con qualche prudente astenuto.
Come si fa a decidere? Come al solito: facendo l’esperimento.
Tutti gli oggetti rimangono durante il volo attaccati al libro, tutti gli oggetti cadono insieme. Il risultato è sorprendente rispetto alle aspettative. Ma perché da’ questo risultato? Una studentessa fa l’ipotesi che gli oggetti rimangano attaccati al libro per attrazione gravitazionale tra libro e oggetti. Osservate che a priori NON si può respingere ogni ipotesi, anche la più strana. Come si fa a dimostrare che una ipotesi non corrisponde alla realtà? Bisogna costruire un esperimento o un ragionamento scientifico che mi dica che quella ipotesi non è corretta, è da scartare. Far vedere che questa ipotesi non corrisponde a una descrizione del perché non è poi così semplice. Ma grossolanamente non c’è una sensibile attrazione tra oggetti ben più “pesanti”: riesco facilmente a tenere separati due oggetti. In realtà l’attrazione gravitazionale c’è, anche se piccolissima e bisognerebbe dimostrare con un esperimento che l’attrazione del pezzettino di carta con il registro non è sufficiente a spiegare il fatto che il pezzettino di carta durante il volo del registro non si stacca.
Altri dicono che dipende dall’attrito. Il libro prende lui l’attrito, gli oggetti sopra il libro non “sentono” l’attrito con l’aria. Ed è proprio così. Allora abbiamo ricavato sperimentalmente un’altra legge fisica:
in assenza di aria tutti i corpi cadono nella stessa maniera
E la contraddizione fra la legge (1) e la legge (2) sparisce.
Sparisce? Un momento. La (1) e la (2), se pure da due insiemi diversi di esperimenti, erano continuamente verificate nella realtà quotidiana. Ma la (3) NON è mai verificata nella pratica quotidiana. Ma allora a cosa serve una legge fisica che non è mai verificata nella pratica quotidiana? Sembra un controsenso darsi tanta pena per ricavare qualche cosa che non c’entra niente con la vita di tutti i i giorni.
Ma adesso se studiamo come dipende l’attrito dalla forma degli oggetti e dalla velocità degli oggetti nell’aria possiamo avere due leggi:
- in assenza di aria tutti i corpi cadono nella stessa maniera
- legge dell’attrito che incontra un corpo nell’aria
Con queste due leggi posso descrivere la legge di caduta di ogni corpo. Dato un certo corpo di una data forma, posso prevedere come cadrebbe (senza bisogno di farlo cadere). Abbiamo compiuto una potente astrazione che ci permette di prevedere il comportamento in caduta degli oggetti. Il vantaggio appare subito evidente: se ogni corpo cade nella sua maniera devo scrivere alcuni miliardi di leggi, una per ogni corpo e non basterebbe mai, basta cambiare un po’ la forma e… Una cosa da sterminio psicofisico.
Invece con due sole leggi posso descrivere e prevedere la caduta di ogni corpo. E se vario la forma o altri fattori posso ricalcolare il tutto e prevedere ancora una volta come si comporterà.
Sto imparando il modo per scrivere le regolarità che ha la natura (fortunatamente).
Mancano molte cose ancora. Per esempio cosa vuol dire che cadono nella stessa maniera, come faccio a dirlo, come faccio a comunicarlo ad altri che non vedono il fenomeno? La velocità di caduta è diversa ma i corpi cadendo variano la loro velocità nello stesso modo (hanno la stessa accelerazione?) Ma che cosa è la velocità? Che cosa è la accelerazione? Posso esprimerle con un numero in modo da poterle confrontare con altre velocità e accelerazioni e come faccio ad esprimerle con un numero? Cosa vuol dire misurare? e così via. A poco a poco nel corso di fisica impareremo (i sopravvissuti impareranno a loro spese) a costruire un edificio complesso, la fisica, che ci permetterà di prevedere il comportamento della natura in situazioni anche molto diverse fra di loro e, magari, con le previsioni e con i calcoli e le equazioni e le leggi, potremo costruire oggetti prima inesistenti (checché ne pensiate non esistono gli alberi di cellulari…).
Piano complessivo:
Alla ricerca del metodo
la misura di una area di forma irregolare – Premessa
la misura di una area di forma irregolare – Laboratorio
la misura di una area di forma irregolare – Elaborazione misure
oggetti che cadono e metodo scientifico
gli oggetti cadono anche a Zuoz (Svizzera)
Osservare e studiare l’oscillazione di un pendolo
Il pendolo in laboratorio
Il pendolo in laboratorio – punto della situazione
Prima o poi arriveremo da qualche parte
Trattamento dati con excell
Teoria e link vari
Il fenomeno dell’elasticità prima lezione
il fenomeno dell’elasticità report di laboratorio
il fenomeno dell’elasticità e le grandezze proporzionali
gli elastici sono veramente elastici?
… e via via altro ancora…
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