venerdì 8 gennaio 2016

Dagli un colpo secco!

Anche se ormai la frequenza di aggiornamento del blog è vergognosa non l'ho certo dimenticato! Ultimamente faccio davvero fatica a dedicare il tempo che vorrei a questa pagina così cerco di sfruttare al meglio le occasioni che mi capitano. Oggi per esempio ho circa un'ora e mezza completamente libera: sono in treno e sto tornando da Torino dove poco fa ho lasciato 3 studenti che parteciperanno a uno stage di 3 giorni a Bardonecchia dedicato ad argomenti di Fisica e Matematica! Confesso che davanti ai pullman che caricavano gli studenti ho provato un briciolo di invidia perchè un weekend del genere lo avrei passato volentieri anch'io ma pazienza, sarà per un'altra volta.
Fatto sta che ho finalmente occasione per scrivere un post! Non parlerò dello stage a cui stanno partecipando i miei tre studenti (spero ci sarà occasione per parlarne dopo il loro ritorno) bensì di una questione che mi è venuta in mente di recente organizzando le lezioni di Fisica.

Credo che tutti sappiano, almeno a livello intuitivo, cos'è una Forza e immagino che tutti sappiano anche, almeno per esperienza, che quando si fa forza su qualcosa (ad esempio quando si colpisce qualcosa) la velocità con cui si compie l'azione è importante. 
Dagli un colpo secco!” si dice quando l'obiettivo è spezzare un bastone o comunque rompere qualcosa di rigido. Quel poco di esperienza che ho nelle arti marziali conferma questo aspetto: quando mi è capitato di rompere una tavoletta con un pugno o con un calcio ho sperimentato che solo un colpo veloce e secco permetteva di riuscire nell'impresa.
Ma perchè succede questo? Cosa c'entra la velocità (o meglio il tempo)?
Chi ha qualche reminiscenza delle lezioni di fisica delle superiori ricorderà che le forze sono legate al nome di Newton e che una delle formule più importanti era proprio il suo secondo principio della dinamica cioè F=m*a : applicando una forza a un corpo si produce un'accelerazione inversamente proporzionale alla sua massa. Non si parla però di quanto deve essere rapida questa forza: che ci si metta tanto oppure poco si produrrà sempre la stessa accelerazione!

In effetti dal punto di vista della dinamica non cambia granchè... prendiamo un corpo di 10 kg fermo a cui si applica una forza di 20 N. L'accelerazione prodotta sarà di 2 m/s2 e questo dato non dipende dalla durata di questa forza. Notiamo però che se la forza dura un secondo il corpo verrà spinto fino a raggiungere una velocità di 2 m/s, se la forza dura 2 secondi si raggiungeranno i 4 m/s mentre spingendo per 3 secondi si arriverà a 6 m/s. Ecco allora che se ci interessa la velocità finale raggiunta dal nostro oggetto di prova il tempo diventa decisamente rilevante!
Questo vale per il classico esempio dello spingere un carrello, ma vale anche nel caso in cui si voglia spezzare una tavoletta a pugni? Bè se si pensa che colpire qualcosa di fatto significa spingerlo per un tempo breve allora si! Tuttavia è utile fare qualche ragionamento in più.

Se si ha voglia di giocare un po' con l'algebra si può ricavare un'altra formula a partire dal secondo principio della dinamica ed è la seguente:
F*Δt=m*(vf-vi)
In pratica ci dice che il prodotto tra la forza e il tempo di interazione è uguale al prodotto tra la massa del corpo spinto e la sua variazione di velocità. Detto in altre parole, maggiore è il valore della quantità a sinistra dell'uguale (che si chiama Impulso), maggiore sarà la velocità raggiunta dal corpo che si sta spingendo. Non è quindi solo la forza o solo il tempo di interazione a stabilire quanto andrà veloce l'oggetto ma il prodotto delle due: che si applichi poca forza per tanto tempo o tanta forza per poco tempo, se il prodotto (cioè l'Impulso) è uguale la sostanza non cambia e il bersaglio di questa forza subirà la stessa variazione di velocità.
E' l'impulso che ci interessa, non la forza!
Ecco allora che a parità di Impulso, se la durata è lunga si avrà una forza effettiva bassa, se invece l'impatto dura poco si avrà una forza effettiva elevata.
Se vuoi allora che il tuo colpo sia efficace fai in modo che sia più rapido possibile!

Ho preso questa immagine qui


Per spiegare questo concetto la guida del laboratorio della Ducati di cui ho parlato nel post precedente ha usato uno stratagemma interessante: si è servita di due martelli di uguale massa, uno con il battente in metallo e l'altro con il battente in gomma dura. Lasciandoli cadere dalla stessa altezza (pochi centimentri!) su un sensore ci si aspettava di osservare un impatto con la stessa forza. La forza misurata per il martello in metallo invece era nettamente più alta! Infatti è vero che i martelli colpiscono il sensore con la stessa velocità (e quindi con lo stesso impulso) ma quello più duro dei due ha una durata di impatto molto inferiore e di conseguenza sviluppa una forza effettiva molto più grande! Questo perchè, anche se a occhio non ci si può accorgere di nulla, il martello di gomma dura si deforma leggermente durante l'urto e questo fa si che il tempo che impiega a fermarsi sia più grande rispetto al martello di metallo. L'Impulso è uguale ma gli effetti no!

A questo punto è interessante applicare questi ragionamenti ai casi in cui si vuole invece ridurre l'effetto di un impatto; pensiamo banalmente ai dispositivi di sicurezza sulle automobili. Durante un incidente la carrozzeria delle auto tende a deformarsi parecchio proprio per allungare più possibile il tempo di impatto e ridurre così la forza effettiva: se le auto avessero carrozzerie estremamente rigide gli effetti sui passeggeri sarebbero accentuati! O ancora: perchè cadendo sulla sabbia ci si fa meno male che sull'erba e meno ancora che sul cemento? Proprio perchè maggiore è la capacità di deformarsi della superficie su cui si cade maggiore è la durata dell'urto e minore quindi la forza!

Questo post (e in particolare quest'ultima parte) contiene molte ovvietà ma non credo di aver perso tempo dedicando questo viaggio in treno a scriverlo. Ho sempre trovato interessante cercare di scoprire come la Fisica possa aiutarci a capire perchè succedono le cose che vediamo continuamente intorno a noi, anche quando non si tratta di fenomeni strani o apparentemente inspiegabili.

Ecco, il treno sta passando davanti ai padiglioni dell'Expo (non li hanno ancora smontati) e quindi sta per arrivare a Milano Centrale. E' ora di smettere di scrivere e di andare a casa e pubblicare questo articolo.

Alla prossima, sperando che stavolta non passi troppo tempo!