1) Le 4 forze fondamentali

1) Le 4 forze fondamentali (4.43/5) su 199 voti

Il compito della fisica è spiegare i fenomeni che avvengono, prima sulla terra e poi nell’universo intero con gli studi di astrofisica. Certo centinaia di anni fa la fisica era molto arretrata rispetto ai nostri giorni ed infatti lo studio del cielo e dell’universo non erano importanti come lo sono oggi. Centinaia di anni fa ancora avevamo grandi misteri come ad esempio l’elettromagnetismo, la corrente elettrica, di cosa fosse composta la materia. Non che adesso queste cose siano completamente chiare, però quello che abbiamo scoperto ci è stato estramamente utile per raggiungere l’attuale avanzamento tecnologico. Ora però siamo arrivati a tal punto che per le nuove e più sensazionali scoperte di fisica è necessario guardare verso l’alto. I fisici, in parte anche abili matematici, creano formule matematiche capaci di descrivere e prevedere cosa avviene in determinate situazioni, complesse o meno che siano. Queste formule teorizzate, vengono messe alla prova osservando gli eventi descritti e le previsioni calcolate attraverso le formule. Alcune teorie sono così avanzate e spettacolari che per metterle alla prova è necessario organizzare esperimenti altrettanto spettacolari. Un esempio classico è la teoria della relatività del famosissimo Albert Einstein. Con questa grandiosa teoria ha messo in relazione la velocità, lo spazio, il tempo, la gravità, la massa e l’energia! Riuscire ad unire così tante variabili in poche formule è un risultato che ha quasi dell’incredibile. La teoria della relatività prevedeva che un grande oggetto, come ad esempio il nostro sole, potesse modificare lo spazio ed il tempo. Così gli scienziati durante una eclissi di sole totale, puntarono i loro telescopi verso la stella per vedere se lungo la sua circonferenza i raggi di luce venissero “deviati” dalla deformazione che il sole stesso genera nello spazio-tempo. Così scoprirono che in effetti Einstein aveva ragione, la previsione era corretta! In tantissimi ambiti questa teoria ha dato il meglio di se, però in altri ha fallito: Einstein era ben consapevole che la sua teoria non era completa, anche se comunque si tratta di un opera d’arte a tutti gli effetti.Non siamo infatti in grado di spiegare “tutto”. Gli ultimi studi astronomici, ci mostrano infatti una cosa inaspettata: la materia e l’energia che conosciamo sarebbero solo una piccola parte della massa e dell’energia totale che costituiscono l’universo. Le nuove forme di materia ed energia che si stanno scoprendo e che per il momento sono avvolte nel mistero (si chiamano appunto materia ed energia oscura) probabilmente faranno cambiare completamente il nostro modo di comprendere l’universo e le cose attorno a noi.

Le quattro forze principali conosciute in fisica sono la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole, la forza nucleare forte.

La forza di gravità
La forza di gravita’ è quella che ci attrae verso il basso. In realtà non solo i pianeti come la terra hanno una forza gravitazionale, ma anche oggetti molto piccoli, come il vostro mouse, delle forbici, una matita. Essendo questi oggetti estremamente piccoli, la forza di gravità che esercitano è talmente debole che non riusciamo a percepirla. Solo esperimenti molto accurati evidenziano tali deboli attrazioni.

forza di gravita formula

G = 9,81 = costante di gravitazione universale
m1 = massa del primo corpo
m2 = massa del secondo corpo
r = distanza tra i due corpi

La forza di gravità è uguale al prodotto della massa dei due corpi in questione diviso il quadrato della loro distanza, il tutto moltiplicato per G che è la constante di gravitazione universale.
Quindi la forza di attrazione gravitazionale tra due corpi aumenta se aumenta la massa dei corpi (direttamente proporzionale alle masse!) mentre aumenta al diminuire della distanza tra i corpi (inversamente proporzionale alla distanza!).

Un’altra fondamentale caratteristica della gravitazione è che i corpi ad essa soggetti vengono
accelerati da essa nello stesso modo, indipendentemente dalla loro massa. Ciò si può verificare
semplicemente facendo cadere due corpi diversi da uguale altezza. Se facciamo in modo che
l’attrito dell’aria non disturbi troppo l’esperimento, si vedrà che i corpi cadono sul pavimento
nello stesso modo. Questa particolarità della forza di gravitazione fu il punto di partenza da cui Einstein elaborò la sua teoria della relatività generale.

La forza gravitazionale fu studiata e descritta “scientificamente” per la prima volta nella storia
dell’umanità dal grande fisico e matematico Isaac Newton nella seconda metà del ’600. Egli intuì che la forza di gravitazione è universale, cioè ad essa sono sottoposti tutti i corpi che costituiscono l’universo, sia i corpi della nostra esperienza quotidiana qui sulla terra che i corpi celesti, stelle pianeti, satelliti ecc. La teoria matematica che Newton propose per spiegare la gravità fu il primo esempio di creazione di una teoria unificatrice, cioè che unifica fenomeni che avvengono ovunque nell’universo. Newton riuscì a spiegare con questa teoria come i corpi cadono sulla superficie della terra, come la luna ruota attorno alla terra e come i pianeti ruotano attorno al sole e lo fece con la stessa formula matematica.

Prima di Newton, già da un secolo, era avvenuta la rivoluzione copernicana: si era cioè capito che non è la terra al centro dell’universo, ma che il sole sta al centro e gli altri pianeti gli ruotano attorno seguendo orbite ellittiche. Però nessuno era riuscito a spiegare perchè, come un sasso cade verso il basso, la Luna ruota attorno alla terra. Newton diede una spiegazione matematica al modo che hanno i pianeti di girare attorno al sole tramite appunto la sua teoria della gravitazione universale.

La forza elettromagnetica.
La materia è costituita da atomi i quali sono formati da protoni, neutroni ed elettroni. I protoni
ed i neutroni, più pesanti (circa 2000 volte più pesanti degli elettroni!), costituiscono il nucleo e
gli elettroni, più leggeri, vi “ruotano” attorno: in realtà non si tratta di vere e proprie orbite ma concettualmente le si può considerare tali per non entrare troppo nel dettaglio.

I protoni trasportano una carica elettrica positiva mentre gli elettroni una carica (di uguale valore) negativa. I neutroni non sono elettricamente carichi. Tra cariche negative e cariche positive si genera una forza di attrazione (immaginate due calamite quando si attraggono) tra cariche dello stesso segno invece risulta una forza repulsiva (due calamite che si respingono).

Gli atomi in stato di quiete sono composti da un numero uguale di cariche positive e negative quindi appaiono stabili e neutri all’osservatore. Per questo motivo, a grandi distanze la forza elettromagnetica è ininfluente, mentre la forza gravitazionale è sempre presente ed è quella che fa muovere i pianeti attorno alle stelle, i satelliti attorno ai pianeti, le stelle dentro le galassie ecc. E’ la forza gravitazionale che fa muovere l’universo.

Una caratteristica fondamentale delle cariche elettriche è che, se fatte muovere in modo accelerato (non in moto rettilineo uniforme), esse emettono onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche sono le onde radio, tv, telefoni cellulari, microonde, raggi infrarossi, luce visibile dal rosso al violetto, raggi ultravioletti, raggi X raggi gamma ecc… Se faccio oscillare una carica elettrica emetto onde elettromagnetiche che, attraversando lo spazio, possono raggiungere altre cariche elettriche poste a distanza, facendole a loro volta oscillare. Così, inviando particolari impulsi codificati, è possibile trasmettere e poi ricevere l’informazione: così Marconi inventò la radio. (Basandosi sugli esperimenti di trasmissione via radio di Nikola Tesla).
Le forze elettromagnetiche sono la causa della forma, della struttura e di tutte le particolari proprietà chimiche dei corpi che ci circondano. Gli atomi, che sono di vario tipo (un centinaio) a seconda di quanti protoni, neutroni ed elettroni (sempre in ugual numero dei protoni) sono fatti, si combinano, grazie alle forze elettriche, in molecole che poi formano tutti i corpi che conosciamo.

Per esempio, un atomo di ossigeno si combina elettricamente con due atomi di idrogeno e formano una molecola di acqua che ha forma, aspetto e proprietà completamente diverse dagli atomi che la compongono. L’ossigeno e l’idrogeno infatti a temperatura ambiente sono dei gas velenosi, che combinati tra loro invece formano la normalissima acqua che noi conosciamo!  Addirittura una molecola d’acqua (H2O) presenta una “polarità”, ovvero appare un po’ allungata presentando una maggiore carica positiva da un lato ed una maggiore carica negativa dal lato opposto. Per questo motivo, versando molte sostanze (dello zucchero, per esempio) nell’acqua esse si sciolgono, ovvero i loro legami elettrici vengono in qualche modo “allentati”, disturbati dalla polarità delle molecole d’acqua, che agiscono come tanti piccoli magnetini in agitazione dentro un barattolo.

La forza nucleare debole.
Di questa forza non diremo tanto, perché fra le quattro, è sicuramente la meno “eclatante”. Diremo solo che un neutrone è in effetti la fusione fra un protone ed un elettrone e questo grazie appunto alla forza nucleare debole. Di conseguenza un neutrone però può rompersi e formare un protone ed un elettrone! Questo è ciò che succede nel fenomeno della radioattività naturale. Nuclei di atomi non particolarmente stabili possono così decadere emettendo elettroni (detti anche, in questo caso, raggi beta).

Anni fa, in conclusione, si è dimostrato che la forza nucleare debole e la forza elettromagnetica in effetti sono facce diverse di una stessa forza, la forza “elettrodebole”. L’avere dimostrato sperimentalmente questo fece guadagnare il premio Nobel al fisico Carlo Rubbia.

La forza nucleare forte.
Nel nucleo degli atomi vi sono protoni e neutroni. Il nucleo ha dimensioni estremamente piccole per cui i protoni, carichi positivamente, si dovrebbero respingere tra di loro in maniera enorme ed in modo tale da non poter effettivamente formare un nucleo. Il nucleo, invece, è un oggetto molto stabile (a parte le eccezioni dovute ai fenomeni radioattivio se viene disturbato) in cui i protoni sono posti a distanze enormemente piccole, non compatibili con le leggi elettromagnetiche.

Esso è tenuto assieme dalla forza nucleare forte che, intervenendo quando i protoni sono più vicini di una certa distanza limite, neutralizza le forze elettriche repulsive e fa sì che il nucleo possa restare unito. Si capisce da questo che l’energia nucleare è enorme e quando si libera, come nelle bombe atomiche, nei reattori atomici o nel nucleo delle stelle, gli effetti sono impressionanti.

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