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Orologi atomici e precisione del tempo

25 Ago

Qualche giorno fa, le pagine scientifiche di molti giornali hanno ospitato una notizia che e’ passata un po’ in sordina ma che, a mio avviso, merita di essere commentata se non altro per le interessanti discussioni a corollario. La notizia in questione, che molto sicuramente avrete letto, parlava di una nuova serie di orologi atomici costruiti dai ricercatori del NIST, National Institute of Standards and Technology, e che sono in grado di mantenere la precisione per un tempo paragonabile all’eta’ dell’universo.

Leggendo questa notizia, credo che le domande classiche che possono venire in mente siano: come funziona un orologio atomico? Come si definisce il secondo? Ma soprattutto, a cosa serve avere un orologio tanto preciso?

In realta’, rispondere a queste domande, non e’ cosa facile ma cercheremo di farlo sempre in modo divulgativo spiegando passo passo tutti i concetti richiamati.

Prima di tutto, cos’e’ il tempo? Come potete immaginare, in questo caso la risposta non e’ semplice, ma richiama tantissime discipline, non solo scientifiche, che da secoli si sono interrogate sulla migliore definizione di tempo. Tutti noi sappiamo che il tempo passa. Come ce ne accorgiamo? Proprio osservando il trascorrere del tempo, cioe’ degli avvenimenti che osserviamo intorno a noi. In tal senso, scientificamente, possiamo definire il tempo come quella dimensione nella quale si misura il trascorrere degli eventi. Questa definizione ci permette dunque di parlare di passato, presente e futuro, dividendo gli eventi in senso temporale. Ovviamente, non e’ l’unica definizione che potete dare di tempo e forse neanche la piu’ affascinante ma, sicuramente, e’ la piu’ pratica per l’utilizzo che se ne vuole fare nelle scienze.

salvador_dali

Detto questo, se parliamo di tempo come una dimensione, dobbiamo saper quantificare in qualche modo il suo scorrere. Detto in altri termini, abbiamo bisogno di un’unita’ di misura. Nel “Sistema Internazionale di unita’ di misura”, che e’ quello accettato in molti paesi e considerato la standard a cui riferirsi, l’unita’ di misura del tempo e’ il secondo.

Come viene definito un secondo?

Storicamente, la definizione di secondo e’ cambiata molte volte. Nella prima versione, il secondo era definito come 1/86400 del giorno solare medio. Questa definizione non e’ pero’ corretta a causa del lento e continuo, per noi impercettibile, allungamento delle giornate dovuto all’attrazione Terra-Luna e alle forze mareali, di cui abbiamo parlato in questo post:

Le forze di marea

Utilizzando pero’ questa definizione, non avremmo avuto a disposizione qualcosa di immutabile nel tempo. Per ovviare a questo problema, si decise dunque di riferire il secondo non piu’ in base alla rotazione della terra su se stessa, ma a quella intorno al Sole. Anche questo movimento pero’ e’ non uniforme, per cui fu necessario riferire il tutto ad un preciso anno. Per questo motivo, il secondo venne definito nel 1954 come: la frazione di 1/31 556 925,9747 dell’anno tropico per lo 0 gennaio 1900 alle ore 12 tempo effemeride. La durata della rotazione intorno al Sole era conosciuta da osservazioni molto precise. Qualche anno dopo, precisamente nel 1960, ci si rese conto che questa definizione presentava dei problemi. Se pensiamo il secondo come una frazione del giorno solare medio, chi ci assicura che il 1900 possa essere l’anno in cui il giorno aveva la durata media? Detto in altri termini, le definizioni date nei due casi possono differire tra loro di una quantita’ non facilmente quantificabile. Dovendo definire uno standard per la misura del tempo, conosciuto e replicabile da chiunque, abbiamo bisogno di un qualcosa che sia immutabile nel tempo e conosciuto con grande precisione.

Proprio queste considerazioni, portarono poi a prendere in esame le prorieta’ degli atomi. In particolare,  si penso’ di definire il secondo partendo dai tempi necessari alle transizioni atomiche che ovviamente, a parita’ di evento, sono sempre identiche tra loro. Proprio per questo motivo, il secondo venne definito come: la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133. In questo modo si e’ ottenuta una definizione con tutte le proprieta’ che abbiamo visto.

A questo punto, la domanda e’: come misurare il tempo? Ovviamente, di sistemi di misurazione del tempo ne conosciamo moltissimi, sviluppati e modificati nel corso dei secoli e ognuno caratterizzato da una precisione piu’ o meno elevata. Cosa significa? Affinche’ un orologio sia preciso, e’ necessario che “non perda un colpo”, cioe’ che la durata del secondo misurata sia quanto piu’ vicina, al limite identica, a quella della definizione data. In caso contrario, ci ritroveremo un orologio che dopo un certo intervallo, giorni, mesi, anni, migliaia di anni, si trova avanti o indietro di un secondo rispetto allo standard. Ovviamente, piu’ e’ lungo il periodo in cui questo avviene, maggiore e’ la precisione dell’orologio.

Come tutti sanno, gli orologi piu’ precisi sono quelli atomici. Cosi’ come nella definizione di secondo, per la misura del tempo si utilizzano fenomeni microscopici ottenuti mediante “fontane di atomi”, eccitazioni laser, o semplici transizione tra livelli energetici. Al contrario, negli orologi al quarzo si utilizza la vibrazione, indotta elettricamente, degli atomi di quarzo per misurare il tempo. La bibliografia su questo argomento e’ molto vasta. Potete trovare orologi atomici costruiti nel corso degli anni sfruttando proprieta’ diverse e con precisioni sempre piu’ spinte. Negli ultimi anni. si e’ passati alla realizzazione di orologi atomici integrando anche fasci laser e raffreddando gli atomi a temperature sempre piu’ vicine allo zero assoluto.

Nel caso della notizia da cui siamo partiti, l’orologio atomico costruito sfrutta la transizione di atomi di itterbio raffreddati fino a 10 milionesimi di grado sopra lo zero assoluto indotta mediante fasci laser ad altissima concentrazione. Questo ha permesso di migliorare di ben 10 volte la precisione dell’orologio rispetto a quelli precedentemente costruiti.

A questo punto, non resta che rispondere all’ultima domanda che ci eravamo posti all’inizio: a cosa serve avere orologi cosi’ precisi? Molto spesso, leggndo in rete, sembrerebbe quasi che la costruzione dell’orologio piu’ preciso sia una sorta di gara tra laboratori di ricerca che si contendono, a suon di apparecchi che costano milioni, la palma della miglior precisione. In realta’ questo non e’ vero. Avere una misura sempre piu’ precisa di tempo, consente di ottenere risultati sempre piu’ affidabili in ambito diverso.

Per prima cosa, una misura precisa di tempo consente di poter sperimentare importanti caratteristiche della relativita’. Pensate, ad esempio, alla misura della distanza tra Terra e Luna. In questo caso, come visto in questo articolo:

Ecco perche’ Curiosity non trova gli alieni!

si spara un laser da Terra e si misura il tempo che questo impiega a tornare indietro. Maggiore e’ la precisione sulla misura del tempo impiegato, piu’ accurata sara’ la nostra distanza ottenuta. Molto spesso infatti, si suole misurare le distanze utilizzando tempi. Pensiamo, ad esempio, all’anno luce. Come viene definito? Come la distanza percorsa dalla luce in un anno. Tempi e distanze sono sempre correlati tra loro, condizione per cui una piu’ accurata misura di tempi  consente di ridurre l’incertezza in misure di distanza.

Anche quando abbiamo parlato del sistema GPS:

Il sistema di posizionamento Galileo

Abbiamo visto come il posizionamento viene fatto misurando le differenze temporali tra i satelliti della galassia GPS. Anche in questo caso, la sincronizzazione e’ fondamentale per avere precisioni maggiori nel posizionamento. Non pensate solo al navigatore che ormai quasi tutti abbiamo in macchina. Questi sistemi hanno notevole importanza in ambito civile, marittimo, militare. Tutti settori di fondamentale importanza per la nostra societa’.

Concludendo, abbiamo visto come viene definito oggi il secondo e quante modifiche sono state fatte nel corso degli anni cercando di avere una definizione che fosse immutabile nel tempo e riproducibile per tutti. Oggi, abbiamo a disposizione molti sistemi per la misura del tempo ma i piu’ precisi sono senza dubbio gli orologi atomici. Come visto, ottenere precisioni sempre piu’ spinte nella misura del tempo e’ di fondamentale importanza per tantissimi settori, molti dei quali anche strategici nella nostra soscieta’. Ad oggi, il miglior orologio atomico realizzato permette di mantenere la precisione per un tempo paragonabile all’eta’ dell’universo, cioe’ circa 14 miliardi di anni.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Climatizzatore …. quanto ci costi?

6 Ago

Nell’ottica del risparmio energetico, non solo per fare un favore all’ambiente ma anche al nostro portafoglio, qualche tempo fa avevamo analizzato in dettaglio i consumi dei nostri elettrodomestici:

Elettrodomestici e bolletta

In particolare, avevamo quantificato il reale consumo dei comuni sistemi casalinghi, convertendo il tutto in termini di consumo. Come sappiamo bene, nella nostra bolletta elettrica, viene riportato un consumo in KWh, mentre le etichette e le caratteristiche degli apparecchi elettronici ci forniscono un valore in potenza, cioe’ in Watt.

Detto questo, con la calura estiva di questi giorni, vorrei riprendere questi concetti, analizzando pero’ il discorso condizionatori. Se andate in negozio intenzionati a comprare un sistema di questo tipo, vi trovate di fronte una vasta gamma di prodotti con caratteristiche diverse ma, soprattutto, la capacita’ refrigerante dei condizionatori e’ espressa in Btu/h.

Cerchiamo dunque di fare un po’ di chiarezza, capendo meglio questi concetti.

Prima di tutto, la scelta principale che dovete affrontare e’ quella relativa alle differenze: con o senza pompa di calore, inverter o ON/OFF.

Cosa significa?

Per quanto riguarda la pompa di calore, si tratta semplicemente di condizionatori che possono riscaldare oltre a rinfrescare. Detto proprio in parole povere, lo stesso sistema e’ in grado di invertire il ciclo termico, producendo un salto positivo o negativo rispetto alla temperaratura iniziale. Detto ancora piu’ semplicemente, avete la possibilita’ di far uscire aria calda o fredda per riscaldare o rinfrescare.

Convengono questi sistemi?

Se avete un impianto di riscaldamento in casa con caloriferi, pannelli radianti, ecc, allora tanto vale comprare solo un condizionatore, cioe’ qualcosa in da utilizzare in estate per rinfrescare.

Cosa significa invece inverter o ON/OFF?

Qui spesso trovate un po’ di confusione in giro. In realta’, la distinzione e’ molto semplice. Un sistema ON/OFF funziona, come dice il nome stesso, in modalita’ accesa o spenta. Cerchiamo di capire meglio. Impostate una temperatura, il sitema si accende e comincia a buttare aria fredda. Quando la temperatura della sala e’ arrivata a quella desiderata il sistema si spegne. A questo punto, quando la temperatura si rialza, il sistema riparte e la riporta al valore impostato. Al contrario, un sistema inverter e’ in grado di modulare la potenza del compressore funzionando a diversi regimi. Se volete, mentre nel primo caso avevamo un sistema binario acceso o spento, qui c’e’ tutta una regolazione della potenza del compressore gestita da un microprocessore. Quando la temperatura si avvicina a quella impostata, la potenza del condizionatore scende riducendo i giri del compressore. In questo modo, con un piccolo sforzo, si riesce a mantenere la temperatura sempre intorno, con piccole fluttuazioni, al valore impostato.

Molto spesso, leggete che gli inverter sono migliori, garantiscono un notevole risparmio energetico, ecc. A costo di andare contro corrente, sostengo invece che questo non e’ sempre vero. Mi spiego meglio. Se avete intenzione di tenere acceso il condizionatore per diverese ore, allora il sistema inverter vi garantisce un consumo minimo, arrivati intorno al valore desiderato. Al contrario, un ON/OFF quando parte, parte sempre a pieno regime. Se pero’ avete intenzione di tenere acceso il condizionatore per poco tempo, perche’ volete accenderlo solo in determinati momenti della giornata o per un paio d’ore mentre vi addormentate, allora il sistema inverter funzionerebbe, dal momento che prendiamo tutto l’intervallo necessario ad abbassare la temperatura, esattamente come un ON/OFF, cioe’ sempre a pieno regime. In questo caso, il consumo sara’ esattamente lo stesso e non riuscirete assolutamente a rientrare della maggiore spesa necessaria all’acquisto di un inverter.

Un commerciante onesto dovrebbe sempre chiedere il funzionamento richiesto al condizionatore e consigliare la migliore soluzione.

Detto questo, andiamo invece ai BTU/h, cioe’ questa arcana unita’ di misura con cui vengono classificati i condizionatori.

BTU sta per British Thermal Unit ed e’ un’unita’ di misura anglosassone dell’energia. Come viene definita? 1 BTU e’ la quantita’ di calore necessaria per alzare la temperatura di una libbra di acqua da 39F a 40F, cioe’ da 3.8 a 4.4 gradi centigradi. Come capite anche dalla definizione, e’ un’unita’ di misura del lavoro, che nel Sistema Internazionale e’ il Joule, che utilizza solo unita’ anglosassoni.

Perche’ si utilizza?

In primis, per motivi storici, poi perche’, per sua stessa definizione, indica proprio il calore necessario per aumentare, o diminuire, la teperatura di un volume di un fluido, in questo caso acqua.

Bene, ora pero’ sui condizionatori abbiamo i BTU/h. Questa indica semplicemente la quantita’ di BTU richiesti in un’ora di esercizio. Possiamo convertire i BTU/h in Watt dal momento che un lavoro diviso l’unita’ di tempo e’ proprio la definizione di potenza. In questo caso:

3412 BTU/h –> 1KW

A questo punto, abbiamo qualcosa di manipolabile e che e’ simile all’analisi fatta parlando degli altri elettrodomestici.

Compriamo un condizionatore da 10000 BTU/h e questo equivale ad un sistema da 2.9KW. Quanto ci costa tenerlo acceso un’ora? In termini di bolletta, in un’ora consumiamo 2.9KWh. Se assumiamo, come visto nel precedente articolo, un costo al KWh di 0.20 euro, per tenere acceso questo sistema servono 0.58 euro/h.

0.58 euro/h? Significa 6 euro per tenerlo acceso 10 ore. In un bimestre estivo, questo significherebbe 360 euro sulla bolletta?

Questo e’ l’errore fondamentale che spesso viene fatto. Il valore in KWh calcolato e’ in realta’ quello necessario per rinfrescare, o riscaldare se abbiamo la pompa di calore, il nostro ambiente. Quando comprate un condizionatore, c’e’ anche un ‘altro numero che dovete controllare, il cosiddetto EER, cioe’ l’Energy efficiency ratio. Questo parametro indica semplicemente l’efficienza elettrica del sistema quando questo lavora in raffreddamento. Analogamente, per i condizionatori con pompa di calore, trovate anche un indice COP che invece rappresenta il rendimento quando si opera in riscaldamento.

Detto proprio in termini semplici, quando assorbite 1 KWh dalla rete, il condizionatore rende una quantita’ pari a 1KWh moltiplicato per il EER. Facciamo un esempio. Valori tipici di EER sono compresi tra 3 e 5. Se supponiamo di comprare un condizionatore con EER pari a 4, per ogni KWh assorbito dalla rete, il sistema ne fornisce 4 sotto forma di energia frigorifera.

Se adesso riprendiamo il calcolo di prima, dai valori inseriti, se il nostro condizionatore ha un EER pari a 4, per tenerlo acceso un’ora spenderemo:

0.58/4 = 0.15 euro

Se confrontiamo questi valori con quelli degli altri elettrodomestici visti nell’articolo precedente, ci rendiamo conto che il condizionatore e’ un sistema che “consuma” molta energia.

Ultima considerazione, fino a questo punto abbiamo parlato di BTU/h, prendendo un numero a caso di 10000. In commercio trovate sistemi con valori tra 5000 e 30000, o anche piu’, BTU/h. Volete rinfrescare una camera, che condizionatore dovete prendere?

In realta’, la risposta a questa domanda non e’ affatto semplice. Come potete immaginare, la potenza del sistema che dovete prendere dipende prima di tutto dalla cubatura dell’ambiente, ma ache da parametri specifici che possono variare molto il risultato: superficie vetrata ed esposizione, superficie di muro ed esposizione, eventuale coibentazione della stanza, se ci sono appartamenti sopra e sotto, se siete sotto tetto, ecc.

Giusto per fornire dei valori a spanne, potete far riferimento a questa tabella:

LOCALE DA CLIMATIZZARE (m²)

POTENZA NOMINALE RICHIESTA (BTU)

da 0 a 10

5000

da 10 a 15

7000

da 15 a 25

9000

da 25 a 40

12000

da 40 a 50

15000

da 50 a 60

18000

da 60 a 80

21000

da 80 a 100

24500

da 100 a 130

35000

da 130 a 160

43000

da 160 a 180

48000

da 180 a 200

65000

Come vedete, in linea di principio, per rinfrescare con un salto termico accettabile una stanza da 20 m^2, vi basta un sistema da 9000 BTU/h.

Concludendo, prima di acquistare un condizionatore, si devono sempre valutare le caratteristiche richieste dall’utilizzo che vogliamo farne e dall’ambiente in cui vogliamo utilizzarlo. Detto questo, i parametri specifici del sistema, possono far variare notevolmente il consumo effettivo del condizionatore, influendo in modo significativo sulla bolletta che poi andremo a pagare.

 

”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Attenzione, tra poche ore passa Apophis!

9 Gen

Nelle ultime ore, ho ricevuto diverse mail e messaggi da parte di utenti incuriositi dal passaggio di domani dell’asteroide Apophis. Come forse avrete letto, da qualche giorno, in rete sono comparsi diversi articoli sui soliti siti catastrofisti che parlano del passaggio di questo asteroide “vicino” alla Terra.

Di Apophis, avevamo parlato in questo post, passando in rassegna le date ipotizzate per la prossima fine del mondo:

2013 o ancora piu’ oltre?

Come potete vedere, in questo caso parlavamo di 2036 come data di presunto impatto tra la Terra e questo asteroide.

Perche’ ora si parla di 9 Gennaio 2013?

Effettivamente, per domani e’ atteso un passaggio ravvicinato di Apophis, ma questo non desta assolutamente nessun pericolo. Vi spiego anche il perche’. Apophis gira su un’orbita che interseca quella della Terra in due punti ben precisi, come potete vedere da questa immagine:

L'orbita di Apophis nel sistema solare

L’orbita di Apophis nel sistema solare

Ora, ad ogni passaggio alle intersezioni, potenzialmente potremmo avere un passaggio ravvicinato al nostro pianeta. Dico “potenzialmente” perche’ ovviamente il tutto dipende dalla posizione relativa della Terra in quel preciso momento. Per domani, e’ appunto atteso un passaggio ad una distanza minore rispetto a quella avuta in passato.

Per poter capire meglio questo concetto, ho preparato un video esplicativo con le orbite ed i movimenti dei pianeti interni del Sistema Solare:

Domani, dunque, Apophis si trovera’ a passare nel punto della sua orbita che interseca quella della Terra.

A che distanza passera’ da noi? Siamo sicuri che non ci siano pericoli a riguardo?

Per rispondere a questa domanda, vi invito a vedere questa immagine, tratta dal video di prima, specifica per domani:

Posizione di Apophis e della Terra al 9/1/2013

Posizione di Apophis e della Terra al 9/1/2013

Come vedete, in basso viene riportata anche la distanza tra la Terra e Apophis, che sara’ di 0,0966 unita’ astronomiche.

In questo post, parlando del passaggio della come ISON, abbiamo gia’ fatto un ragionamento del genere:

Che la ISON abbia pieta’ di noi!

Utilizzando la definizione di unita’ astronomica (circa 150 milioni di Km per 1UA), Apophis passera’ ad una distanza di circa 15 milioni di Km. Considerando che la distanza media tra la Terra e la Luna e’ di 380000 Km, non credo ci sia bisogno di preoccuparsi di questo asteroide.

A questo punto pero’, facciamo una riflessione insieme. Perche’ si e’ pubblicizzato cosi’ tanto il passaggio di Apophis a questa grande distanza? La risposta in questo caso e’ molto semplice. Di questo asteroide si e’ parlato molto anche a proposito della fine del mondo nel 2012. In particolare, in diverse interviste, la nostra astrofisica Margherita Hack, ha piu’ volte detto che non c’era nulla di cui preoccuparsi pensando a Nibiru, e ad una sua eventuale collissione con la Terra, bensi’, era molto piu’ pericoloso il passaggio di Apophis nel 2036.

Adesso, tutto comincia ad essere piu’ chiaro.

Nel 2036, ci sara’ veramente un passaggio ravvicinato, molto piu’ di adesso, tra Apophis e la Terra, ma anche in questo caso vi premetto che non c’e’, attualmente, nulla di cui preoccuparsi.

Prima di tutto, di Apophis e del passaggio del 2036, abbiamo parlato in dettaglio nel libro ”Psicosi 2012. Le risposte della scienza”. Apophis, e’ stato l’unico asteroide potenzialmente pericoloso, ad avere per molto tempo un valore non zero nella scala Torino. Come visto in questo post:

L’asteroide 2012 DA14

questa scala viene utilizzata per tabulare gli asteroidi secondo la loro probabilita’ di impatto con la Terra. Bene, Apophis e’ stato per lungo tempo considerato al valore 1 di questa scala. Questo significa che, per quanto piccola, la probabilita’ eventuale di colpire la Terra era considerata non zero.

Cosa e’ cambiato ora?

Come piu’ volte visto, le orbite degli asteroidi che vengono simulate, presentano sempre delle incertezze legate principalmente alle possibili interazioni gravitazionali durante il moto. Queste variazioni fanno si che l’orbita simulata, deve essere ricalcolata ed affinata costantemente, al fine di correggere i valori con le ultime osservazioni sperimentali. Questo processo, di volta in volta, consente di conoscere con maggior accuratezza la traiettoria dei corpi e anche di capire meglio l’eventuale probabilita’ di impatto con i pianeti.

Proprio grazie alle ultime misure fatte e’ stato possibile calcolare meglio la traiettoria di Apophis e declassarlo dal valore 1 a 0 della scala Torino. Una conferma di questo, potete averla utilizzando il solito database (pubblico) della NASA per gli asteroidi vicini alla Terra. In questa pagina in particolare, trovate tutti i parametri relativi ad Apophis:

Apophis NASA

mentre in quest’altra pagina, vedete i valori della scala Torino per gli oggetti conosciuti e monitorati dalla NASA:

NEO probabilita’ impatto

Cercando 99942 Apophis, potete controllare da soli che il valore attuale della scala Torino per questo asteroide e’ “zero”.

Per completezza di informazione, a che distanza ci si aspetta il passaggio di Apophis nel 2036?

In questo caso, la distanza minima dovrebbe essere intorno ai 15000 Km, quindi molto inferiore a quella attesa tra poche ore e anche inferiore a quella dei satelliti geostazionari.

Nonostante questo valore, ad oggi, come visto nell’articolo, anche per questa data non vi sono indicazioni circa un possibile impatto di Apophis con la nostra Terra, come confermato dal valore zero della scala Torino.

 

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.