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EMdrive: il motore che va contro i principi della fisica

11 Set

Dopo qualche giorno di pausa, purtroppo non per svago, eccoci di nuovo qui. Per iniziare alla grande, torniamo a parlare di scienza, o almeno di qualcosa che gli somiglia. Come ci ha segnalato un nostro lettore nella sezione:

Hai domande o dubbi?

in questi giorni si è molto parlato di un’invenzione davvero particolare. Di cosa si tratta? Detto “poco chiaramente”, stiamo parlando del “motore quantistico”.

Cosa sarebbe questo motore quantistico?

Cerchiamo di andare con ordine, capendo l’origine di questa storia. Partendo da parole più semplici , il motore quantistico è, appunto, un motore che produrrebbe una spinta senza propellente ma solo usando elettricità.

Una soluzione del genere, potrebbe essere utilizzata come thruster nello spazio, cioè come sistema per far muovere i satelliti o altri veivoli spaziali. Cosa c’è di strano in tutto questo? La risposta è semplice, sapete perchè ci vuole così tanto tempo per girovagare nello spazio? Perchè i velivoli che mandiamo si muovono per inerzia. Praticamente, vengono messi in moto tramite propulsori, poi questi vengono spenti e il mezzo continua a procedere lungo la sua direzione. Tutto questo è frutto di una delle leggi fondamentali della meccanica, cioè il principio di inerzia.

Perchè questo motore quantistico sarebbe così rivoluzionario? Detto semplicemente, per far andare qualcosa nello spazio, abbiamo bisogno di avere una spinta in senso contrario. Questo è noto come principio di conservazione della quantità di moto.

Facciamo un esempio per capire meglio.

Supponete di essere al centro di un lago ghiacciato. La superficie del lago è talmente liscia che, idealmente, non c’è nessun attrito tra voi e il ghiaccio. In questa condizione limite, non potete camminare. Sapete perchè? Il semplice camminare è possibile proprio grazie all’attrito tra i nostri piedi, o le nostre scarpe, e il terreno. Praticamente, camminando, il vostro piede è fermo grazie all’attrito statico tra voi e il terreno.

Se ora vi trovate al centro di questo lago, non potete quindi riuscire a camminare. Come fate a mettervi in salvo e raggiungere la riva?

Una buona soluzione potrebbe essere quella di togliervi un indumento e lanciarlo in una direzione. Come per magia, ma in realtà è fisica, voi vi muovete per reazione nella direzione opposta a quella del lancio.

Bene, nello spazio succede esattamente la stessa cosa. Questo è noto, appunto, come principio di conservazione della quantità di moto. Altra legge fondamentale della fisica. Dunque, se questo motore non spinge nulla, per la fisica non può andare avanti.

Come è possibile?

Per provare a rispondere a questa domanda, vediamo prima di tutto come è fatto questo motore. Ecco a voi una foto di quello che viene chiamato EMdrive:

EM drive

EM drive

Questo motore è stato inventato dallo scienziato inglese Roger Shawyer alcuni anni fa. Come funziona? Il principio di funzionamento, secondo il suo inventore, sarebbe il seguente: si tratta di una cavità asimettrica in cui la radiazione a microonde viene fatta rimbalzare sulle pareti producendo effetti di risonanza. A causa di effetti relativistici, si creerebbe una differenza di pressione tra i due estremi del motore con una conseguente spinta, appunto quella di cui parlavamo per far andare i razzi nello spazio.

A distanza di qualche anno, alcuni ricercatori cinesi decidono di costruire un loro proprio motore quantistico per verificare che quanto detto da Roger Shawyer fosse vero. Cosa riescono ad ottenere? Un motore che funziona secondo lo stesso principio e conferma quanto scoperto anni prima.

Di che spinte parliamo? Più o meno 720 milli Newton secondo i cinesi.

Cosa significa 720 milli Newton? Immaginate di prendere in mano un peso da 1 Kg e di tenerlo fermo. Come sapete questo oggetto è dotato di massa ed esercita una spinta sulla nostra mano, chiamata forza peso, risultato dell’attrazione della Terra verso l’oggetto (e mutuamente dell’oggetto verso la Terra). Con un peso da 1 Kg, la spinta è di circa 10 Newton. Dunque, qui abbiamo una spinta di 720 mN, cioè equivalente a quella che produrrebbe un oggetto da 72 grammi tenuto in mano.

Interessa a qualcuno il valore della spinta? L’importante è che questa ci sia e sia in grado di far andare i nostri satelliti.

In realtà, come vedremo, il valore della spinta non è trascurabile.

A questo punto, potremmo essere di fronte alla solita teoria rivoluzionaria che la scienza cerca di insabbiare perché mette in crisi le basi su cui abbiamo costruito tutti i nostri castelli di carte. Attenzione però, questa storia è leggermente diversa dalle solite. Sapete perché? Vista la possibile applicazione di questo motore, la NASA ha deciso di analizzarlo e di provare a verificare se i risultati sono corretti.

Cosa accade a questo punto?

La NASA fa le sue prove e ottiene un risultato in cui si ha una spinta che per la fisica non dovrebbe esserci! Dunque funziona tutto? Aspettiamo prima di dirlo.

Come visto, la spinta misurata era di 720 mN. I tecnici della NASA hanno ottenuto una spinta tra 30 e 50 micro Newton, dunque, circa un fattore 10000 in meno.

Come detto prima, ma chi se ne frega, l’importante è che la spinta ci sia!

Come potete immaginare, molti giornali internazionali hanno dato ampio risalto alla notizia, salvo però non dire tutto fino in fondo.

Cosa significa?

La NASA, dopo aver effettuato questi test, ha pubblicato un conference paper sulla questione. Ecco a voi il link dove leggere il lavoro:

NASA, EMdrive test

Come potete vedere, l’articolo sembra confermare quanto affermato. Attenzione però, leggete tutto fino in fondo. Verso la fine, gli autori scrivono una frase che tanti hanno fatto finta di non leggere. Questa:

Thrust was observed on both test articles, even though one of the test articles was designed with the expectation that it would not produce thrust. Specifically, one test article contained internal physical modifications that were designed to produce thrust, while the other did not (with the latter being referred to as the “null” test article).
Cosa significa? Nel test i tecnici hanno utilizzato anche un motore di controllo realizzato per non avere nessuna spinta. Durante il test però, quando hanno utilizzato questo motore, hanno osservato nuovamente questa spinta. Cioè? Dovete fare un test che porterà valori misurati molto piccoli. Come normale, costruite qualcosa che non dovrebbe invece funzionare. Poi ottenete che tutti e due misurano qualcosa paragonabile. Come concludere? E’ sbagliata la misura su quello buono o su quello che non dovrebbe funzionare?
Personalmente, come mia natura, voglio essere propositivo e, come si dice, “open mind”. Ad oggi, i risultati mostrano valori discordanti. Molto probabilmene, i valori della spinta che si vuole misurare sono troppo bassi per le incertezze derivanti dal metodo di misura stesso. Detto in modo statistico, il risultato ottenuto è compatibile con zero Newton di spinta ma anche con qualcosa diverso da zero.
Ovviamente, non voglio precludere nulla ma, allo stato attuale, questo motore non ha dato risultati che confermano quanto affermato. Visto l’interesse sulla cosa, sono sicuro che ci saranno ulteriori sviluppi nei prossimi mesi. Se così fosse, torneremo sull’argomento proprio per vedere se quanto affermato corrisponde al vero e, in tal caso, ragioneremo su effetti non considerati dalla fisica.
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Meduse: belle e pericolose

5 Set

Ormai siamo alla fine della stagione estiva, anche se le temperature alte ci consentono, per i piu’ fortunati che non sono al lavoro, di andare ancora al mare e di rinfrescarci con un bagno. Molto spesso pero’, questi nostri programmi vengono smentiti perche’ c’e’ la possibilita’ di trovarsi di fronte un mare popolato da banchi di meduse. Come sappiamo bene, onde evitare spiacevoli conseguenze, in questi casi e’ sconsigliato fare il bagno. Ovviamente, qualcuno potrebbe obiettare dicendo che a volte si trovano singole meduse che si lasciano trasportare dalle onde, piuttosto che decine di animali.

Su suggerimento di una nostra cara lettrice, credo sia interessante parlare un attimo di questi, a mio avviso, splendidi animali. Perche’ dico splendidi? A parte il fastidio nel non poter fare il bagno o il dolore di un contatto, si tratta di animali estremamente affascinanti, con un andamento elegante trasportato dalle onde e, molto spesso, con colorazioni e riflessi che si lasciano ammirare.

Come sappiamo, esistono, soprattutto in Australia ed in alcune zone della California, meduse killer il cui contatto puo’ portare addirittura alla morte per arresto cardiaco o per crisi respiratoria. Le specie nostrane non sono assolutamente letali anche se, soprattutto durante il periodo estivo, i pronto soccorso degli ospedali si riempiono di persone che hanno avuto la sfortuna di scontrarsi con questi animali.

Nel mediterraneo, come avrete sicuramente sentito, il numero di meduse sta crescendo molto. Fate attenzione, in realta’, questa mia affermazione non e’ esattamente corretta. Quello che sta aumentando e’ la presenza vicino alla riva di questi animali. Alcune volte, si giustifica questo fenomeno dicendo che la loro presenza e’ sinonimo di pulizia delle acque.

Ovviamente, e’ vero che le meduse prediligono le acque pulite, ma la loro presenza non e’ sintomatica di una pulizia del tratto di mare. L’aumento di questi animali a riva non e’ compreso del tutto, anzi esistono tre ipotesi possibili formulate in biologia. La prima e’ che esistano dei cicli naturali per cui, con periodi di 10-12 anni, le meduse scelgono di riprodursi vicino alal riva piuttosto che in acque piu’ profonde. Questa ipotesi, anche se sostenuta da alcuni esperti, non trova dimostrazioni oggettive.

L’altra ipotesi possibile e’ invece da ricercarsi nell’aumento della temperatura dei mari. Cosa comporta questo? Una temperatura maggiore, ovviamente parliamo di percentuali, favorisce il proliferare del plancton, cibo delle meduse. In tal senso, una maggiore temperatura, soprattutto nella zona costiera, richiamerebbe piu’ meduse verso riva.

L’ultima ipotesi e’ invece, al contrario di quanto pensato normalmente, da ricercarsi nell’inquinamento dei mari, proprio in zona costiera. Molto spesso, acque provenienti da campi coltivati vengono riversate senza trattamento a riva. Queste acque possono essere ricche di fertilizzanti utilizzati in agricoltura che, ovviamente, fanno il loro compito anche in mare, favorendo, anche in questo caso, il proliferare del plancton.

Una combinazione di queste ultime due ipotesi e’ quella maggiormente citata per giustificare l’aumento delle meduse osservato negli ultimi anni, anche nel Mediterraneo.

Detto questo, parliamo un secondo dell’anatomia delle meduse. Come sappiamo bene, si tratta di organismi molto antichi e molto semplici. Il 98% del loro corpo e’ composto di acqua. Dal punto di vista morfologico, le meduse hanno una parte superiore detta “ombrello”, divisa, con funzione diverse, in superiore e inferiore, e dei tentacoli, detti manico. Proprio questi ultimi sono ricchi di cellule dette cnidociti in grado di iniettare per contatto una sorta di veleno. Questo meccanismo e’ utilizzato sia per scopi di offesa che di difesa.

Da cosa e’ composto il veleno?

Si tratta di una sostanza gelatinosa composta da tre proteine: una ad effetto paralizzante, una con effetto infiammatorio e una neurotossica. Data questa sinergia capite bene, ad esempio, la funzione del liquido urticante durante la cattura di una preda.

Bene, proprio la presenza di questo liquido urticante e’ quello che ci fa evitare di fare il bagno in presenza di meduse o che, quasi tutti, conoscono direttamente per i suoi effetti. Fate attenzione, come detto prima, solo i tentacoli sono in grado di iniettare il liquido urticante. Detto questo, non si ha nessuna conseguenza toccando la medusa nella parte dell’ombrello.

Per poter capire quanto sia urticante questo veleno, dobbiamo pero’ considerare quali sono le tipologie di meduse piu’ presenti nei nostri mari. Come sapete, la famiglia delle meduse, vanta migliaia di specie, con caratteristiche morfologiche estremamente diverse.

Per quanto riguarda il Mediterraneo, la specie piu’ presente e’ la cosiddetta Pelagia nocticula:

Medusa Pelagia Nocticula

Medusa Pelagia Nocticula

Come vedete dalla foto, questa medusa ha una struttura trasparente con riflessi violacei e lunghi tentacoli. Il liquido di questa specie e’ molto urticante e la pericolosita’ di questo animale e’ data dal fatto che molto spesso si presenta in branchi di molte centinaia. La dimensione dell’ombrello puo’ arrivare anche a 10-15 cm di diametro. Caratteristiche che rende ancora piu’ affascinante questa medusa e’ la sua fosforescenza notturna che la rende particolarmente visibile.

Altra specie urticante e presente nel Mediterraneo e’ la Cotylorhiza tuberculata:

Medusa Cotylorhiza tuberculata

Medusa Cotylorhiza tuberculata

Come vedete dalla foto, questa tipologia e’ facilmente riconoscibile per via dei tentacoli che finiscono in una sorta di dischetti. Molto spesso elementi di questa specie si trovano isolati.

L’ultima specie diffusa nel Mediterraneo e’ la Rhizostoma pulmo:

Medusa Rhizostoma pulmo

Medusa Rhizostoma pulmo

In questo caso, le dimensioni dell’ombrello possono raggiungere anche i 60 cm di diametro, ma il veleno di questo animale e’ non dannoso per l’uomo. Fate attenzione, dire non dannoso significa che il suo effetto urticante e’ estremamente blando, ma non nullo. Evitate, in caso di incontro, si abbracciare questa medusa.

Detto questo, la domanda che spesso viene fuori e’: cosa fare in caso di contatto?

Come molti di noi sanno per esperienza personale, incontri ravvicinati con le meduse possono essere davvero molto dolorosi. Come spesso avviene, la maggior parte dei rimedi tramandati o conosciuti per lenire il dolore sono in realta’ frutto di false convinzioni e, in alcuni casi, possono anche peggiorare la situazione. Inutile dire che in caso di urto con i tentacoli si deve raggiungere la riva, autonomamente o con l’aiuto di altri bagnanti.

Il rimedio piu’ noto in questi casi e’ quello di ricorrere a sabbia bollente, pietre calde, urina, ammoniaca, ecc. Tutti questi rimedi sono inutili. Perche’? Per poter lenire il dolore e’ necessario interrompere il rilascio di neurotossine. Per fare questo servirebbero temperature di 50 gradi, difficilmente ottenibili con una pietra o con la sabbia. Stessa cosa vale per l’ammoniaca, e dunque per l’urina. Utilizzare queste sostanze non fa altro che peggiorare l’infiammazione locale della pelle. Come sapete, il punto della lesione diviene piu’ sensibile alal radiazione solare il che puo’ creare macchie sul corpo. L’utilizzo dell’ammoniaca, o, come fatto in alcuni casi, dell’aceto, peggiora solo questo eritema.

Cosa si deve fare?

Per prima cosa, sciaquare la parte con acqua di mare. Questa soluzione, al contrario dell’acqua dolce, aiuta a diluire la neurotossina non ancora penetrata e a disinfettare la parte. A questo punto, controllate che non vi siano frammenti di tentacolo rimasti attaccati. In caso contrario, basta utilizzare una tesserina rigida, bancomat, patente, ecc., per eliminarli. Mettere creme al cortisone per lenire il dolore e’ completamente inutile. Il picco di infiammazione si ha fino a 20 minuti dal contatto. Creme di questo tipo cominciano a fare effetto dopo 30 minuti, cioe’ quando il dolore sarebbe diminuito naturalmente.

Il rimedio migliore da utilizzare in caso di contatto con una medusa e’ un gel al cloruro di alluminio. Questi prodotti sono ancora poco diffusi in Italia, anche se e’ possibile farli preparare come soluzioni galeniche. La concentrazione da richiedere e’ intorno al 4-5%. Cosa fa il cloruro di alluminio? Si tratta di un gel astringente che dunque impedisce alle neurotossine di entrare in circolo. Questa soluzione e’ anche molto utile dopo le punture di zanzara, in quanto riduce notevolmente il prurito.

Ultima importante cosa. Per evitare spiacevoli incontri o giornate sulla sabbia per acqua infestata da meduse, potrebbe essere utile consultare un cosiddetto “meteo meduse”. Si tratta di servizi basati sulla segnalazione di privati e addetti ai lavori che, giorno per giorno, preparano cartine contenenti la presenza o meno di meduse in zone specifiche. Un esempio di questo servizio e’ offerto anche dalla rivista focus a questo indirizzo:

Focus, meteo meduse

 

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E adesso abbiamo i “cani solari”

4 Giu

Solo qualche giorno fa, ho ricevuto un commento molto interessante riguardante quello che secondo la cultura popolare e’ un rarissimo evento naturale, spesso enfatizzato come portatore di qualche presagio o messaggio divino. Come evidenziato dal titolo, si tratta dei cosiddetti “Cani Solari”, dall’inglese “Sun Dog”, anche noti come “Parhelion”, dal greco “Accanto al sole”.

Non sapete di cosa si tratta? Senza tanti giri di parole, vi mostro una foto che vi lascera’ a bocca aperta:

Il fenomeno del Parhelion o Sun Dog

Il fenomeno del Parhelion o Sun Dog

Come vedete, si tratta di una sorta di arcobaleno che si manifesta intorno al sole ma che, a differenza del classico fenomeno conosciouto da tutti, ha i colori invertiti con il rosso all’interno e il violetto all’esterno. Quella mostrata e’ una foto di un Sun Dog completo, cioe’ completamente circolare. Spesso vengono riportate testimonianze di cerchi incompleti come se fossero presenti tre soli in cielo:

Sun dog incompleto come se vi fossero tre soli all'orizzonte

Sun dog incompleto come se vi fossero tre soli all’orizzonte

Come e’ evidente, si tratta di un fenomeno veramente affascinante e che, come riportato, lascia a bocca aperta le fortunate persone che riescono ad assistere al fenomeno.

Ora che abbiamo capito quello di cui stiamo parlando, cerchiamo di capire dal punto di vista scientifico come e perche’ si manifestano questi fenomeni.

Come e’ noto, i classici arcobaleni si formano a causa della dispersione dei raggi solari quando questi passano all’interno di minuscole gocce d’acqua in sospensione dopo un temporale. A causa della riflessione, la luce bianca del Sole, cioe’ composta da diverse lunghezze d’onda, viene scomposta e ciascuna frequenza esce con un angolo diverso, separandosi dalle altre.

Cosi’ per assonanza, possiamo pensare che anche il fenomeno dei Sun Dog sia dovuto ad un evento similare. Questo infatti e’ corretto. Quello che pero’ distingue questi fenomeni dagli altri piu’ noti, e’ nel mezzo che crea la dispersione.

I Parhelion sono creati dalla dispersione della luce solare a causa di minuscoli cristalli di ghiaccio in sospensione che restano a seguito di un violento temporale freddo o come residui del passaggio di cirri. Generalemente, questi mini cristalli, con spessori compresi tra 0.5 e 1 mm, hanno forma esagonale, per cui, al loro interno, la luce viene scomposta un po’ come avviene quando guardiamo un diamante.

Questa ragionamento, non e’ pero’ sufficiente a spiegare il fenomeno. Se ci pensiamo bene, avendo tanti cristalli esagonali in cielo, ognuno con la sua orientazione, come e’ possibile che venga creata questa forma esattamente circolare? La considerazione e’ corretta, ed infatti quanto detto non e’ ancora sufficiente a spiegare i Sun Dog.

In presenza di cristalli esagonali con orientazione casuale, quello che si forma e’ il fenomeno degli “aloni”, molto meno definiti. Affinche’ si formi un Parhelion e’ necessario che i cristalli siano tutti orientati verticalmente. In questo caso, la luce viene scomposta sullo stesso piano formando appunto queste meravigliose forme di cui abbiamo riportato le foto.

Al contrario di quello che si pensa, i Parhelion non sono cosi’ rari. Affinche’ il fenomeno si formi e’ necessario che, prima di tutto ci siano i cristalli di ghiaccio orientati in modo corretto, ma anche che il Sole sia all’altezza giusta. Geometricamente, quello che si ottiene e’ un angolo di dispersione di 22 gradi rispetto al nostro orizzonte. Ora, molto spesso pero’, questi fenomeni non sono facilmente visibili anche perche’, come vedete dalle foto, per poterli identificare e’ necessario guardare direttamente in direzione del Sole. Detto questo, se il Sole e’ troppo alto in cielo, la sua luce potrebbe arrecare danni alla vista oltre a far diminuire di intensita’ la luce scomposta.

All’inizio dell’articolo, dicevamo che spesso questi fenomeni sono riportati nella storia come presagi divini o segnali del destino. Partendo dai classici greci e latini, le opere sono piene di Parhelion riportati in concomitanza di grandi eventi o di luoghi specifici pregni di significato sociale e religioso. Per darvi qualche esempio, anche Cicerone nel De re publica parla dei Sun Dog ed in particolar modo della discussione nata nel senato romano dopo la comparsa di questi fenomeni. Shakespeare racconta invece nel suo Enrico VI del Parhelion comparso prima di una battaglia nella Guerra delle due Rose.

Concludendo, quello dei Parhelion e’ senza dubbio un fenomeno naturale estremamente affascinante e che, anche se formato in condizioni non rare, molto difficilmente risulta visibile all’occhio umano. Il meccanismo di formazione di questi fenomeni e’ oggi completamente compreso dal punto di vista scientifico ma nel passatto veniva spesso associato con un presagio divino ed importante.

 

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