E’ più facile capire le idee partendo dalle radici che le hanno fatte nascere, e una grossa parte delle idee che sono alla base della scienza moderna risalgono a oltre 20 secoli fa! Ripercorrere la loro nascita aiuta a capirle meglio, e i passi successivi dell’evoluzione del pensiero scientifico diventano più semplici e naturali.
Nel Rinascimento (1350 -1600) si passa dalla tradizione filosofica aristotelica alla scienza moderna. Inizia quella che viene chiamata rivoluzione scientifica.
La Matematica diventa indispensabile per la quantificazione dei fenomeni naturali. L’uso della matematica è spinto da un imponente lavoro di traduzione in latino dei testi classici (Euclide, Archimede, Platone) che arrivano in Europa dopo la caduta di Costantinopoli (1453). Quantificare significa assegnare un numero, cioè misurare. Inizia una fase di rapida invenzione di nuovi strumenti di misura: il telescopio, il microscopio, gli orologi meccanici di precisione, i termometri, il barometro, la pompa pneumatica…
COPERNICO (1473-1543)
capovolge il sistema geocentrico aristotelico e afferma che è il sole al centro del mondo e la terra e gli altri pianeti gli girano intorno (eliocentrismo).
BRUNO (1548-1600)
adotta il modello copernicano e afferma che il Sistema Solare non ha un posto privilegiato nello spazio. Demolisce il concetto di cielo come ottava e invalicabile sfera e afferma che lo spazio si estende all’infinito, in tutte le direzioni ed è disseminato di stelle. Se il Sole è una stella come le altre, afferma, allora devono esistere pianeti simili alla Terra che orbitano intorno alle loro stelle e quindi teorizza che ci devono essere altri mondi abitati. Eresia! Subisce l’inquisizione per otto lunghi e dolorosi anni ma non abiura e finisce al rogo a Campo de Fiori nel punto in cui oggi c’è la sua statua.
BACONE (1561-1626)
contesta la cultura filosofica tradizionale alla quale contrappone le arti meccaniche e l’esperienza, le quali offrono dati grezzi, ma il loro affinamento continuo basato su tentativi e errori e il loro accumulo sono la base del progresso. Mette in dubbio la differenza aristotelica tra scienza (nobile) e tecnica (vile).
KEPLERO(1571-1630)
basandosi sul modello copernicano, formula tre leggi che descrivono matematicamente il moto dei pianeti attorno al Sole. E le orbite dei pianeti non sono cerchi ma ellissi! Quindi i pianeti non sono più trascinati dal motore immobile: non sappiamo perché si muovono (ci vorrà Newton) ma conosciamo le leggi matematiche che governano il loro moto.
GALILEI (1564-1642)
Completa l’opera di demolizione della fisica aristotelica ma soprattutto introduce il metodo scientifico, basato sull’osservazione dei fenomeni, riproduzione in laboratorio del fenomeni, esecuzione di misure, analisi dei dati di misura, formulazione di leggi matematiche che spiegano il fenomeni, esecuzione di esperimenti per verificare la validità universale delle leggi.
E qui comincia la fisica e tutta la scienza moderna.
GALILEI E IL MOTO RETTILINEO UNIFORME
Se la pallina scende lungo P1 aumenta la sua velocità. Se la pallina sale lungo P2 diminuisce la sua velocità. Se la pallina si sta muovendo sul piano orizzontale non c’è nessun motivo perché acceleri o rallenti (a meno dell’attrito e di altre forze agenti). La pallina si muoverà a velocità costante uguale a quella iniziale.
Galileo intuisce che il moto rettilineo uniforme (MRU) è più fondamentale del moto circolare aristotelico: un corpo persiste nel proprio stato di MRU a meno che non intervenga una forza a perturbarlo. E’ il principio d’inerzia.
GALILEI E LA CADUTA LIBERA DEI GRAVI
Galileo fa un esperimento: lascia cadere dalla torre di Pisa palline uguali ma di peso diverso e fa le seguenti osservazioni:
La velocità di caduta non è costante come diceva Aristotele. Essa aumenta con il tempo in modo uniforme, cioè aumenta di un tot per ogni secondo che passa. Galileo chiama questa variazione di velocità accelerazione e la misura : 9,8 m/sec².
Le palline arrivano a terra contemporaneamente. Ne deduce che la variazione di velocità delle palline, cioè l’accelerazione, è la stessa e non dipende dal peso del corpo, e quindi vale per qualsiasi corpo (una mela o un autobus!).
Un martello arriva a terra prima di una piuma perché la piuma è frenata dall’aria molto di più del martello. Ma lo stesso esperimento eseguito sulla Luna (dove non c’è aria) ha dimostrato che piuma e martello arrivano a terra nello stesso preciso istante, e il commento dell’astronauta fu: Galileo aveva ragione!
…e poi arrivò Newton
NEWTON (1643- 1727)
fa la sintesi dei risultati dei predecessori e formula la legge di gravitazione universale e le leggi della dinamica che sono alla base di tutta la fisica classica.
Newton ragiona così: la Luna gira in tondo, non va diritta secondo la direzione della sua Velocità come vorrebbe il principio d’inerzia. Allora ci deve essere una forza che tira verso il centro della Terra e mantiene la luna sulla sua orbita (pensiamo alla fionda, è la forza della mano che tiene il sasso in rotazione. Se la forza viene meno, per esempio tagliando il filo, il sasso parte “per la tangente”). Questa forza la chiama forza di gravità.
E’ questa forza, che fa cadere un sasso. E’ questa forza che fa “cadere” la Luna intorno alla Terra (si, la Luna cade intorno alla Terra nel senso che devia dalla sua traiettoria rettilinea della “quantità giusta” a mantenerla su un’orbita circolare. Questa “quantità giusta” si ottiene solo per una ed una sola velocità di rotazione che si chiama “velocità di fuga” che dipende solo dalla distanza della Luna dalla terra. I satelliti artificiali e la stazione spaziale ISS ruotano intorno alla Terra perché si muovono alla velocità di fuga specifica della loro distanza dalla Terra).
Ma allora la stessa cosa vale per tutti i pianeti, per le Lune di Giove ecc. Senza questa forza i corpi dell’Universo non avrebbero ragione di cambiare velocità, andrebbero sempre diritti e alla stessa velocità (Principio di Inerzia). Ma ciò non accade nell’Universo reale: i corpi si attirano tra loro per mezzo di forze, ed esiste una forza di gravità universale con cui ogni corpo attira l’altro (dove G è un numero fisso, M e m sono le masse della Terra e della Luna, r la loro distanza).
Ancora un po’ di pazienza…. Se sostituiamo alla Luna un sasso nelle vicinanze della Terra ora possiamo capire perché cade. Se il sasso è il proiettile sparato orizzontalmente da un cannone si verificano le seguenti situazioni: se la velocità del proiettile è inferiore alla velocità di fuga, esso seguirà le traiettorie A o B. se la velocità del proiettile è uguale alla velocità di fuga, esso ruoterà indefinitamente intorno alla Terra (NB: trascurando la resistenza dell’aria) sulla traiettoria circolare C. Se invece la velocità è superiore a quella di fuga, allora il proiettile ruoterà su un orbità ellittica D o, oltre una certa velocità, si allontanerà indefinitamente dalla Terra secondo la traiettoria E. Così vengono messi in orbità i satelliti artificiali, essendo il cannone sostituito da un razzo.
Dopo Galilei e Newton, la visione del mondo aristotelica viene completamente sovvertita. L’universo non è la Terra al centro circondata dalle sfere celesti. L’universo è un immenso spazio infinito pieno di stelle, senza centro e senza limiti. E’ percorso da corpi materiali che corrono liberi e diritti, a meno che una forza, generata da un altro corpo, non li faccia deviare. Il riferimento all’antico atomismo è chiaro. Ma ora la visione è estremamente potente: il mondo di Newton è quello di Democrito, ma ora è descritto con la matematica.
La nuova visione diventa uno schema di riferimento per tutte le scienze e anche per la filosofia (illuminismo di Voltaire e Kant). Fino a quasi tutto l’ottocento sembra che la chiave per capire il mondo sia stata trovata. Tutto sembra essere riconducibile allo schema Newtoniano: il mondo è uno Spazio infinito dove, mentre passa il Tempo, scorrono Particelle che interagiscono attraverso Forze e noi abbiamo le equazioni per calcolare questi moti. E’ il mondo che canterà Leopardi:
…interminati spazi
di là da quella, e sovrumani
silenzi, e profondissima quiete
io nel pensier mi fingo…
Luigi Catalani nasce a Norma (LT) nel 1946. Si laurea in Ingegneria Elettronica con indirizzo Calcolatori e Controlli Automatici nel 1975. E’ assunto da una società romana leader nel settore della Meccanottica di precisione occupandosi di progettazione elettronica e software di sistemi di Aereofotogrammetria per applicazioni cartografiche civili e militari. Nel 1980 è assunto da una primaria azienda Aerospaziale italiana come dirigente del reparto progettazione e sviluppo di apparati avionici di bordo per aerei ed elicotteri militari e civili. Nel 1988 passa alle dipendenze di una società romana leader nel settore dei sistemi di difesa avionica con l’incarico di Project Manager per diversi contratti internazionali per lo sviluppo e produzione di apparati destinati alle aeronautiche di Italia, Germania, UK e Spagna. Nel 2007,nella stessa società, conclude la sua carriera in qualità di Responsabile Commerciale degli stessi contratti.
