100 risposte a 100 perché della scienza e della natura [PDF]

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Andrea Frova

della scienza e della natura • Edizione fuori commercio riservata a i lettori di Newton •

Andrea Frova

100 RISPOSTE a 100 PERCHÉ della scienza e della natura

Biblioteca Universale Rizzoli

SOMMARIO

Proprietà letteraria riservata © 1995 R.CS. Libri & Grandi Opere S.p.A., Milano © 1998 RCS Libri S.p.A., Milano Disegni dell'autore

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Edizione fuori tommercio riservata ai lettori di

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I. Cielo e atmosfera

IL Effetti dell 'attri to III. I colo ri IV. Fenomen i e le ttrici V. Fisica in cucina VI. Aria e acqua VII. Luce e visio ne VIII. Mecca ni ca IX. Miraggi X. Fa tti di na tura XI. Lo sport XII. Il suono

I. CIELO E ATMOSFERA

l. LA VOLTA CELESTE

Perch é il cielo ci appare azzurro e invece, è nero per un astronauta in orbita?

ROSSO

VERDE

-

V IGLElTO! AZZUR RO

--~~ SOLE ATM OSFERA

TERRA Il fenom eno fisico all a base dci colore azzurro dci cielo è la diffus ione de lla luce. La luce dci sole è visibile, bianca, se l'ossc l-vato re si trova su lla tra ietto ria dircua ( rett ilin ea) d e i raggi sola ri. D'a ltra pane·, essa può essere viSla a nche d i fian co se sul suo pe rcorso in contra delle particelle che la diffondono: ogn i urto con una panice ll a ra sì che pane della lu ce si sparga in tutte le direzion i. L'effetto è facilmente dimostrabi le con un rJ.ggio di luce co llim ato, torcia elettrica o laser: in ambiente fumoso, esso appare be n visibil e anche da posizio ni late rali. Nel caso de l ciclo, le partice ll e diITondenti so no le molecole dell 'a ria. azoLO, oss ige7

no, V'dpor d'acqua. Ora, poiché esse sono molto piccole rispetto alla lunghezza d'onda della radiazione visi bile, il fenomeno deve essere interpretato in termi ni del modello teorico di Lord Rayleigh, il quale prevede che la d iffus ione sia molto meno efficace per il versante rosso che non per quello azzurro-violeuo (per la precisione, l'inte nsità della luce diffusa decresce con la quarta potenza de lla lunghezza d'onda della luce, per cui l'azzurro è diffuso almeno quattro vo lte meglio del rosso). Come conseguenza, l'i ntera volta del cielo ci appare azzurra, ad eccezione della parte occupata dal sole, dal qua le ci perviene in massima misura luce diretta, sostanzialmente bia nca (vedere figura sotto il quesito). L' azzurro del cie lo non è uguale dappe rtutto, perché il processo di diffusione d e lla luce dipende anche dall 'angolo sotto cui essa avviene. Se nel cielo ci fosse il vuoto, com'è per gli astronauti in o rbita all 'esterno all'a tm osfera, esso apparirebbe nero per assenza di d iffu sione; sole escluso, natu ralmente, il qua le si presenterebbe pressoché immutato.

zon te. L'effetlo può essere accentuato da ll a presenz~ di molecole di vapor d'acqua, il che spiega il rosso glo n oso di ce rti tramonti sull 'orizzonte marino. Del tutto a naloga è la visione del sole rosso attrave rso il fumo degli in cendi i malaugurati incendi che distruggono i ?os~hi - oppure attraverso un bicchiere pieno d'acqua mlsclllata a poch~ gocce di latte (la diffusione, nei due c.asi, è do~uta rispettIvamente alle molecole carboniose del prodotti della combustione e alle minute particelle di grasso de l latte che si trovano in sospensione).

3. VEDERE IL SOLE QUANDO È GIÀ SOTTO L'ORIZZONTE U tramonto del sole si osserva con qualche ritardo rispetto all'effettiva discesa dell'astro sotto la linea d ell·orizzonte. Qual è la ragione di tale effetto?

A causa della diminuzione della densità dell 'aria con l'aILitudine, i raggi del sole basso sull 'oriùonte subiscono una

2. IL SOLE ROSSO Perché il sole all'alba e al ttamonto è rosso? In quali altre circostanze è possibile vedere il sole (o altra sorgente di luce bianca) dello stesso colore? L'effetto è d i nuovo attribu ibile a lla diffusione secondo Rayleigh. All'alba e al tramonto, i raggi solari ci pervengono dopo un lungo tf'J.giltO attraverso la bassa aUnosfera, e dunq ue dopo ave r subito un grande numero di processi diffusivi. Questi depauperano la luce diretta del sole delle sue componenti blu-violette, così che nei raggi c he ci giungono p revalgono le compon enti della zona giallo-rossa. Ciò è tamo più vero, quan to più il sole è vicino all'oriz8

SOLE VERO SQTfO L'ORJ ZZONTE

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~radua le e. co nti~ua rifrazione, inclllva ndosi e seguendo In ce rta misura I a ndam ento de lla supe rficie te rrestre. È per questo motivo che il sole vie ne visto per un breve tempo anco ra dopo la sua e ffetti va discesa sotto l'orizzonte, appare ndoci tuttavi~ 011. d e co n te ngono ml-' ~~d~ l:I , _~ ~ llJ ~lIl~.. d .ui a ca paci di ~Iitfo ndere la lu ce in tllle II C7.]O nl , esatta lll c n le come I crista lli di neve. 18

18,lAGID DI MONTAGNA, SERACCID E NEVE FRESCA P erché vi sono laghi di montagna dal color~ blu o verde smeraldo, e altri di un celeste argentato, indipende ntemente dal fatto che il cielo sia azzurro o coperto di nubi?

Nell 'acqua de i laghi di montagna si trovano spesso disciolti sali mine rali o particelle di roccia, che dan'no luogo a diffusione della luce. Se le partice lle sono molto piccole, inducono una colorazione blu o smeraldo pe rché il mecca n.ismo di diffusione è di tipo Rayleigh, come nel caso delle molecole atmosferiche responsabili dell 'azzurro del cielo (si noti: nel prese nte caso il cielo può anche essere cope rto, in qua nto la luce che arriva sul lago è comunque bianca). Se le particelle sono grosse, com 'è quando l'acqua è venuta in contatto con rocce arenarie, la diffusione non ha marcate prefe renze cromatiche e la luce diffusa rimane bianca, o al p iù celeste con riflessi arge ntati (un magnifico esempio è il lago al Rifugio Vandclli ne l gruppo del Sorapis a Cortina d'Ampezzo). Qua n to al magico azzurro d e i seracchi nei ghiacciai, la sua origine è la stessa de i laghi blu. Un effetto analogo si può osservare in una cavità prodotta all 'inte rno di un soffi ce manto di neve fresca a causa dell 'estre ma piccolezza delle propaggini costituenti i singoli fiocchi di neve.

19, I COLORI DElLE GEMME Che cosa determina la colorazione delle gemme, dei vetri, delle plastiche?

Molte ge mme e cristalli , il ve tro , il pl exigla ss, se puri, sono pe rfettamente traspare nti e limpidi come l' acqua. Le cose cambiano se essi contengono ion i di mate riali estrane i, noti colte rminc di impurezze. Ogni impurcz.za è in grAdo di

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S(lle d(l cucina (salgemma) puro e €onktunle (liomi estranei.

assorb ire radiazione luminosa aVente caratteristici valori (~ella lunghezza d 'onda. In vestito dalla luce bianca, il maten~l c trasmet~e so lo que lle radi azioni che non vengono «ta~h ate» d~lIe I ~purezze . Per esempio, il sale da cucina, che siamo abltuaU a vedere in p ra ti ca trasparem e, se o ppOrtunamente contam in ato, può prendere una bella colo razio ne blu cupo. Le impu rezze, qua ndo non sono presenti in natura , .possono essere introdotte in fase di lavonlzione de l mate n~ le. Il ~aso pi ù comune è que IJo del vetro, ch e vie ne contamlll~1.O 111 molt~pli.ci modi per produrre ad esempio le sple ndide coloraZIOni delle vetrate di chiesa. Composti del nlme e del coba lto portano a vetri azzurri, composti del cromo al vetro verde, del ferro a l vetro ambrato, del nickel al ve tro fumé , e così via.

20. VIOLA E VIOLETIO! Che differenza c'è tra il viola e il violetto?

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Il violetto è uno dei co lori appartenenti a llo spettro solare e corris ponde a ll e lun ghezze d'onda più corte t ra quelle della regione vis ibile . La retina lo percepisce tramite i soli co ni de l terzo tipo, ch e hanno bassa sensibilità. Il viola, o meglio la famiglia dei viola - magenta , porpora, bordeaux, eccetera - è invece un a mescolanza di rosso e di azzurro. Pertanto vie ne percepito sia dai coni del terzo c he del primo tipo, ed è car atterizza to da una terna di coordina te cromatic he diverse dal violetto. Inte ressante è il fauo c he, ciò ma lgrado, la se nsazione di colore a live llo cerebrale può essere, nei d u e casi, relativamente simil e; ta nto c he, ne l linguaggio comune, accade c he i due term ini vengan o spesso co nsiderati sinon imi.

21. VISIONE CREPUSCOLARE Leopardi: ... Scende la luna, e si scolora il mondo». Perché i colori degli oggetti, al calare deU'oscurità, perdono vigore, fmo a dare una visione tipo bianco e nero quando è buio fatto? Quando l' illuminazione scende a valori molto bassi, la visio ne dell 'occ hi o da fOlopiea diventa gradualme nte scotopiea (spostamento di Purkinje), ossia passa a carico di un altro tipo di fotorecettori , i bastoncelli , n umericamente pochi, ma assai più se nsibili dei coni, so prattutto nella zona verde-blu. Giacc hé i basto ncelli sono di un solo tipo, al ce rvello perviene un unico segna le, anzic hé una lema, e si ha una sola possi bile se nsazione di colo re, una tinta indefinibile che sta tra il grigio scu ro, il blu e il verde, tanto più cupa qua n to maggiore è l'oscurità. La visio ne a colo ri , in piena luce, è riservata a ll ' uomo, agli u cce lli , a i pesci, a i rettil i e agli insetti. Molti a ll.ri a nimali hanno una vista di

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ti po scoLO pico (tra g li a ltri, i bovini , per cui il d rappo rosso dci LOre ro potre bbc essere ve rd e o g ia ll o o a ltro a nCO I"a, se n za che ciò abbia e ffe lti impo n a nti sull o stato d 'an imo del I:Oro).

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tam e nte ce leste ! Il fatto c he dallo sfondo ci pe rve nga un es teso tristi molo ch e è caratte ristico d e l rosa, fa sì c he il nostro sis te m a pe rcettivo , pe rde ndo in oggettività, ne lla zo na occupa ta dall 'o mbra d e ll a m ano colga un a se nsazio ne di celeste. Si tratta di un e ffe tto di contrasto simultaneo. Se il fascio colorato fosse sta to azzurro, l'omb ra della m a no sare bbe a ppa rsa rosa su fo ndo ce leste. Il colo re de ll 'ombra è dunqu e comp lem e nta re a qu ell o d e l co nto rno . Nella vita quo tid iana, gli o gge tti son o s pesso ill umina ti da un a sovra pposizio ne di luci, tipica m e nte luce so la re e lu ce di fiamm a o la mpadina. I gioc h i d 'o mbra tipo vo n G ue ri cke sono comun i, e la co lorazio ne azzu rrastra d e ll e o m bre è la più freq ue nte.

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LunghclZa d'onda in nanomt:lri

22. En ' ETTI DI CONTRASTO Perché i pitto ri impressionisti sceglievano di disegnare le ombre 'tzzurrastre? C i,) t re 'seco li o rso no il te d esco Q ltO \'o n G u ericke fece un ' interessa nte osservaz io ne. Egli sovra p pose s u L1na pare te bian ca d ue fasc i di luce, un o bi a nco, prove ni e n te d a l so le altravc ,'so ~ln fo ro, e un o rosso pro d OllO da un a ca nde la (ogg i l'es per im c nto p u o esse r e più effì caceme nte eseg ui to fa cendo uso d i d ue p ro ie tto ri , d e i qua li lin o è posto d icll'O a un fi ltro d i ve tro rosso). In terpone ndo un a mano s ul fascio rosso , egli si aspe ttava d i veelere sull a pa re te la sagom a bia nca d e ll a m a n o, contro U llO sfo ndo rosa risul ta n te da ll a misce la ad d itiva di b ian co e rosso. Ebbe ne , la sagom a appariva in vece d ichi a ra-

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23. FOSFORESCENZA C'è q ualcosa d i vero neUa frase «lava più ~ianco de! ~ian­ co» che viene usata per reclamizzare saponi e detersiVI. In un ce rto se nso sì. Tali d etersivi conte ngon o d e lle sostan ze fosfo resce nti , le qua li assorbono rad iazio ne ultraviole tta, no n visibi le , rie me tte ndo la con più bassa e ne rgia, e precisame nte nella regione d el blu. Così, un indum ~ ~ to bianco appa re d i fatto «più bian co » pe rch é la composIzIOne spe ttrale della luce che d a esso ci provien e è a rricchita d alla parte d e l blu , come se l'ogge tto avesse u~ a te ~pera­ tura di colo re più alta de lla so rge nte che lo IlIul1lJlla , In paro le povere, un bia nco arricchito d i blu appare più pulito, uno arricchi to d i rosso più spo rco.

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IV. FENOMENI ELE1TRICI

24. RADIO AM E RADIO FM Perché le stazioni televisive e radio a modulazione di frequenza (FM) si possono sentire 5010 se l'antenna ricevente è in vista diretta dell'emittente (o di un opportuno riflettore, eventualmente un satellite), mentre le onde radio a modulazione di ampiezza (AM) possono attraversare l'oceano? Le onde clcllromagne tiche, in condizioni normali, si propagano in lin ea reUa , dunque la stazione emittente e quella riceve nte devono trovarsi in vista l' una dell'altra. Se così non è, le onde radio de lla gamma che imeressa la te levisione e la modulazione di frequ c m.a si perdono nello spa-

zio, perché auraversano la ionosfera senza essere né assorbite, né riflesse (oggi. per la verità, grazie ai satelliti artificiali, esse possono essere fatte I;mbalzare verso terra e raccolte anc he dalla pane opposta del globo). Le o nde radio di minor frequenza , come sono quelle che corrispondono alla modulazione di ampiezza (onde lunghe, medie e corte) , vengono invece riflesse dalla ionosfera e possono raggiungere stazioni riceventi molto lontane dalla trasmittente, situate ben al di sotto della linea d 'o rizzonte.

25. LA SCOSSA ELETIRICA Perché se si afferra un oggetto metallico in contatto con la rete e lettrica non si riesce a staccarsene, pur cercando

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di farlo con tutte le proprie forze? (Causa principale di decesso da scarica elettrica). La corrente e lettrica, attraversando i muscoli della ma no, li costringe a contrars i e a stringere inv~ l o~t~riamenle l'oggetto SOllO tensione. Nes,su~ segn~le d I ongllle ne~o­ sa è in gmdo di sopraffare I aZIOne vlOI~nta de lla conente . Un modo per evitare il pericolo deCisamente mO.l'tale inerente a questo processo è quello di toccare oggelU che potrebbero essere a ten sione con il dorso della mano o delle dita.

26. PORTARSI AD ALTA TENSIONE A cosa è dovuta la scintilla elettrica che ha luogo tra le nostre dita e un oggetto metallico, dopo che si è camminato su una moquette? A che valore della tensione elettric~ !,u~ corrispondere? Come dipe nde l'effe tto dalle condiZIOni climatiche? Lo sfregamento co ntro un tessuto di. taluni ~ateriali -:plastica, vetro, cuoio - causa il trasfe n men.to di elettrolll da una parte all'altra, e il co nsegue nte ca ricamento e lettrico di e ntrambe, una positiva, que lla che ha pe rso e let: troni, e una negativa, que ll a ch e li ha acquis iti (effetto tnboelettrico). Se l'aria è secca, e dunque pessima co ndultrice de ll 'elettricità, entrambi i materiali trattengo no a lungo le cariche sopra di sé. U n co mune esemp io di caricamento triboelettrico si ha quando una persona cammina su un tappeto o su una moque tte , oppure q~lando strisc ia su l sedi le della propria auto per me tterc piede a terra. Non appcna accosta le dita a un oggetto conduttore dell ' e1ettl-ic ità, per esempio la maniglia dell 'auto, la carica che le si è accumulata addosso si riversa ne ll a

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massa me ta llica d e ll 'au to con una vistosa scintill a. Il pote nziale e lettrico raggiun to d alla pe rsona, infatti, pu ò essere mo lto e leva to, addi rittu ra o ltre i di eci mil a volt rispe lla alla te n sio ne d e l su olo.

v. FISICA IN CUCINA

27. USCIRE INDENNI DAL FULMINE 28. IL CAFFÈ ESPRESSO Quando un fulmine colpisce un aereo o un'automobile il danno ai mezzi è trascurabile, come lo è per gli occupanti. Se ciò è ve ro, quale ne è il motivo?

Perché il caffè fatto con la macchine tta espresso è pili forte e gustoso di quell o che si ottiene con i filtri O co n la macchine tta napoletana?

La rap idi tà con cui transita la co rre nte ele ttrica associa ta al fulmin e, fa sì che essa no n possa pe ne trare all 'in tern o di un me ta ll o, ma si p ro paghi vici no alla sua supe rficie este rn a (si tra tta d el cosid de tto effetto pelle pe r le co rre nti di alta freq ue nza, ossia rapidamente variabili ne l tempo). L' unico pericolo, improbabile ma distmttivo, p otrebbe venire da pe rdite di carburan te da pa rte di un se rba toio difettoso. VA PORE

Nella macchi ne lla espresso, co mc ne lle macc hin e da ba r, si sfrutta la p ropri et.à chc, SO llO press io ne. l' acq ua b~ " ~ a tempera tu ra più alta dci 100 gradi Cels ius. Per la v