Fisica per un anno. 21 spunti di conoscenza. Fisica per corsi annuali

Un altro testo di Fisica? Diranno subito i miei illustri lettori, parafrasando un noto testo. In effetti non l’ho pensato come un testo di Fisica ma semplicemente la messa su file delle mie lezioni. Nella mia più che decennale attività di docente non mi sono mai appassionato al “testo” (sembrerebbe un ossimoro, un docente che non si è mai appassionato al testo, ne scrive uno) ma ho lasciato che i miei studenti studiassero su qualunque volume loro congeniale purché poi sapessero rispondermi sul programma svolto. Conscio tuttavia dei limiti di una tale scelta didattica. Ovviamente ho sempre indicato un paio di testi cui poter agganciare i loro appunti, ma ho trovato per tutti quelli che ho indicato carenze e sovrabbondanze di argomenti. Scherzosamente dicevo ai miei alunni che il testo perfetto sarebbe stato quello che avrei scritto; ovviamente perfetto per quello che intendo io come insegnamento annuale della Fisica. Quindi un compendio che ho sempre cercato di fare in maniera corretta svolgendo lo sviluppo matematico entro limiti di decenza formale, e sorvolando su alcuni aspetti che ritenevo non consoni, e quindi da non trattare in quel momento, al piano di studi degli studenti. Questa Fisica per un anno l’ho considerata come uno sviluppo dei miei appunti, ampliati e corretti, e inquadrati alla stesso modo di una lezione, con le spiegazioni, con un po’ di storia, col tentativo di mostrare che fra i vari argomenti esiste una sorta di fi rouge che li accomuna, con qualche applicazione al corso di studi ma senza entrarne volutamente nei dettagli, ritenendo che una cosa del genere fosse meglio trattata nei corsi e nei testi dedicati. Se trattati qui, ne sarebbe venuto fuori un testo pesante da leggere e consultare e quindi sbagliato come testo di riferimento; e poi alle altre discipline cosa sarebbe restato? Battute a parte, c’è una considerazione di fondo che riguarda il sistema universitario: il numero di CFU che la Fisica ha nei vari corsi di laurea; e con questo monte ore, non di meno né di più, si deve programmare lo svolgimento dei vari argomenti, le esercitazioni, eventuali laboratori, e altro ancora; tutte attività che devono essere svolte per far toccare con mano agli studenti la Fisica, senza che essi la percepiscano, come sempre più spesso accade, come un insieme di formule che si devono imparare anche se non sono state capite. Queste limitazioni fanno sì che il docente si trovi a scegliere e prendere dal testo ciò che gli sembri più adeguato al contesto in cui si muove. Un’altra cosa che ho cercato di inserire in questo libro è la pronuncia corretta dei nomi dei vari scienziati. Ci sono nomi di cui si può aver paura (Poiseuille, oddio come si dirà!) ed altri che sembrano abbastanza semplici (Newton). Anche perché noi leggiamo le parole così come sono scritte. Ma inglesi, polacchi, tedeschi, francesi, etc. hanno una pronuncia diversa da quella italiana, per cui sui nomi esteri si deve seguire la pronuncia del paese d’origine. Ad esempio, il nome dell’unità di misura dell’energia, il Joule, in onore del grande scienziato britannico James Prescott Joule, in italiano è pronunciato giaul invece della pronuncia inglese giul (chiaramente i simboli dell’IPA non sono stati adoperati). A me, studente di fisica, i miei prof. hanno insegnato giaul però poi, per mia curiosità, ho appreso che la pronuncia originaria e consigliata era giul e mi sono adeguato, anche perché ho scoperto che se devi comunicare un dato, 319 joule, saranno 319 giul perché così lo capiscono tutti. D’altra parte un cognome, il nome della famiglia è quello che è e non può essere adattato alla pronuncia locale. Ricordo che Oreste del Buono, mitico direttore della rivista Linus, riuscì ad imporre agli americani la pronuncia corretta di Linus, alla latina e non americanizzata in lainus. E allora, nel parlare dei vari scienziati che hanno fatto la storia della fisica attuale, ho cercato, per quelli più improbi, di inserire la pronuncia originaria. C’è una cosa che gli studenti devono apprendere, ed è la fallIbilità della scienza, devono essere abituati al dubbio, al fatto che una soluzione potrebbe essere ma non è detto che lo sia; e quindi non abituarsi a fermarsi alla prima soluzione trovata ma investigare più a fondo, perché i modelli che sviluppiamo sono sempre modelli che costruiamo in base alle nostre categorie. Una delle regole fondamentali della meccanica dice che un corpo che cade compie spazi proporzionali al quadrato dei tempi impiegati. Sbagliato! Questo è quello che succederebbe se il corpo cadesse in un ambiente vuoto. I corpi si muovono in aria e l’aria ha la sua influenza a volte trascurabile a volte no e che rende in ogni caso il modello del corpo che cade limitato. E questa limitazione la si deve introdurre per spiegare perché una piuma fluttua e una pallina di vetro cade giù direttamente. E questo è quello che ho cercato di fare. Nel testo ci sono capitoli, specialmente i due iniziali che sono più noiosi di altri, senza appeal perché riguardano nozioni di base come le unità di misura, un po’ di matematica utile, i vettori. Ho preferito questa impostazione in modo da lasciare i vari capitoli liberi da sovraesposizioni algebriche. Alcuni capitoli o paragrafi “più tecnici” possono essere solamente letti; ma questo dipende da quello che vuole fare il docente. L’autore propone, poi il docente dispone. Spero che la curiosità dello studente prenda il sopravvento e abbia la voglia di sapere cosa c’è scritto. In effetti tutto il testo può essere letto una prima volta senza badare alle formule; successivamente soffermarsi su di esse. Una nota grafica è l’inclusione delle espressioni in parentesi ad evitare che nei richiami ci si confonda con le figure. Dal punto di vista didattico, non sempre si può seguire lo sviluppo storico delle scoperte scientifiche anche perché gli argomenti si intrecciano in maniera inestricabile. D’altra parte, parlando di campi è spontaneo parlare di flusso e tirar fuori il teorema di Gauss. Sarebbe stato meglio trattare prima l’idrodinamica e far sgorgare spontaneamente la similitudine col flusso di un campo elettrico o gravitazionale. Oppure, gli studi di ottica sono iniziati ben prima di Galilei e con Newton si scontravano i suoi contemporanei, anche in maniera abbastanza rude, sul modello a corpuscoli e sul modello ondulatorio. Ma quando si introduce l’ottica? Dopo la meccanica, l’idrologia, i fenomeni elettrici e magnetici. E ci sono tanti motivi per fare ciò. La termodinamica poi è un argomento a parte; raramente si parla di potenza o si sviluppano equazioni in cui una variabile è il tempo. Esprime una sorta di staticità o una evoluzione atemporale. E di questo si deve tener conto. Nei corsi biennali è un argomento che si insegna al primo anno; meccanica, idrodinamica, termodinamica. E la fisica per i corsi annuali segue lo stesso schema: meccanica, idrodinamica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica. Ma la termodinamica richiede concetti che sono svolti in seguito, come la trasmissione del calore tramite campi elettromagnetici, come concetti di interazione fra sistema e ambiente (in senso termodinamico). In questo testo ho voluto fare diversamente, come in un vecchio manuale. La termodinamica alla fine, dopo la meccanica, l’idrodinamica, le onde elettromagnetiche. Tutti elementi necessari ad una migliore comprensione di questo argomento. Ed anche per poter parlare di equilibri delle soluzioni. Un capitolo sulle onde, tutti i tipi di onde con un occhio di riguardo alla propagazione del suono in acqua e agli effetti del rumore antropico sugli animali marini. Fra gli argomenti ho inteso includere la relatività di Einstein per la carica dirompente che questo ha comportato. Cancellato il riferimento assoluto insieme all’etere e al tempo assoluto e allo spazio assoluto, affermazione della velocità della luce come la massima possibile e la sua indipendenza dal riferimento. Le trasformazioni di Lorentz e la famosa relazione E = mc2. Ed anche un po’ di relatività generale. Ed anche le ostilità di colleghi e politici nazisti. Perché è qualcosa che gli studenti devono sapere in modo da riuscire a distinguere fra ciarlatani, complottisti e scienziati. Ho messo 10 esercizi per capitolo scelti in modo da coprirne gli argomenti. Le soluzioni e altri esercizi sono presenti sul mio sito (https://www.giorgiobellia.it). Oggi la ricerca diventa sempre più multidisciplinare e affrontare problemi che riguardano ad esempio l’ambiente o lo spazio richiede tutta una serie di competenze che riguardano fisica, biologia, botanica, agraria, genetica, geologia, farmacologia, chimica, ingegneria, storia, letteratura, geografia, sociologia, financo giurisprudenza. Per non parlare da un canto delle possibilità che si aprono alle varie discipline sull’utilizzo dei rivelatori sottomarini di suoni, oppure dall’altro i viaggi spaziali, le stazioni orbitanti, le stazioni sul suolo lunare e marziano. Che comporteranno studi sugli effetti di una accelerazione di gravità di minore intensità sulle piante sugli animali e sull’uomo. Il nostro studente avrà da faticare ma il compenso in prospettiva potrebbe essere lusinghiero.