LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI

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LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI
La forza di attrazione gravitazionale e la forza
elettromagnetica
Alunni Geraldo Mariachiara Classe 1B
Alberghiero Porto SantElpidio (FM) Tutor
prof. Pierluigi Stroppa
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Obiettivi di conoscenza e competenza

• Conoscere le 4 forze fondamentali

• Approfondire la conoscenza delle forze di
  attrazione gravitazionale ed elettromagnetica

• Sapere che le forze di attrazione gravitazionale
  ed elettromagnetica spiegano molti fenomeni da
  noi studiati in classe (la bussola, la
  rivoluzione dei pianeti intorno al Sole, le
  maree..)

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Obiettivi di abilità

• Collegare una forza fondamentale ai fenomeni
  macroscopici che provoca

• Costruire un modello per rappresentare il campo
  magnetico terrestre

• Ideare esperimenti per visualizzare le forze di
  attrazione gravitazionale e la forza
  elettromagnetica

• Confrontare tra loro le forze di attrazione
  gravitazionale e la forza elettromagnetica

• Saper organizzare una videopresentazione per un
  convegno

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Metodologia

• Lezioni frontali partecipate con uso di campioni

• Lavori di gruppo, role playing

• Ricerche bibliografiche e navigazione in rete

• Invito alla produzione di videopresentazioni

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Mezzi e strumenti

• Libri di testo e riviste scientifiche

• Laboratorio scientifico

• Personal computer e videoproiettore

• Macchina fotografica digitale e videocamera

• Lavagne dardesia, magnetica e luminosa

• Minerali, calamite, bussole

• Modelli e poster

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La forza di attrazione gravitazionale

• La forza di attrazione gravitazionale è
  UNIVERSALE

• cioè tutti i corpi celesti ne sentono la
  presenza.

• Essa è la più debole delle 4 forze, non si
  riconoscerebbe se non avesse le 2 proprietà che
  la caratterizzano agisce a grandi distanze ed è
  sempre attrattiva.

• La forza gravitazionale è veicolata dalla
  particella GRAVITONE che non ha massa ma possiede
  un grande raggio di azione.

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La legge della gravitazione universale

• Nel libro Philosophiae naturalis Principia
  Mathematica del 1687 Isaac Newton enunciò la
  legge di gravitazione universale
• Due corpi, rispettivamente di massa m1 ed m2,
  si attraggono con una forza di intensità
  direttamente proporzionale al prodotto delle
  masse ed inversamente proporzionale al quadrato
  della distanza che li separa. Tale forza ha la
  direzione parallela alla retta congiungente i
  baricentri dei corpi considerati

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La formula

• Dove
• F forza di attrazione gravitazionale di m1 su
  m2
• G costante di gravitazione UNIVERSALE
• m1, m2 masse dei corpi celesti
• d distanza tra i corpi celesti

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Effetto dellattrazione gravitazionale del Sole
sui pianeti del sistema solare
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Effetto dellattrazione gravitazionale terrestre
sui corpi extraterrestri
In passato il nostro pianeta fu colpito più volte
da questi oggetti essi hanno lasciato tracce
assai vistose soprattutto in aree desertiche
(Arizona, Argentina) o nelle regioni polari.
Impatto di un meteorite (Barringer Crater,
Arizona, 1 km di larghezza), 22.000 anni fa
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VARIAZIONE della FORZA GRAVITAZIONALE in
funzione della MASSA e della DISTANZA
Massa 1 Massa 2 Distanza Forza
m1 m2 d f
8 5 2 10
16 5 2 20
16 5 4 5
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La GRAVITAZIONE è utile o dannosa?
Certamente dannosa per chi cade dal tetto
ma indispensabile per la nostra vita.
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La rotazione terrestre genera una forza
centrifuga.
per cui senza la forza gravitazionale...
quasi tutti gli uomini verrebbero dispersi
nello spazio
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Atmosfera
La Terra è unastronave latmosfera, spazio
vitale, è trattenuta dalla gravità.
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Per la legge di Newton la Terra pesa su ogni
corpo quanto lo stesso corpo pesa sulla Terra
e la forza di Atlante non era poi così
grande
doveva soltanto reggersi a testa in giù!
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VELOCITA DI FUGA
Se la velocità iniziale é abbastanza elevata il
corpo non ricadrà più sulla Terra.
Alla superficie della Terra è di 11 km/s (39.600
km/h)
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La Forza di attrazione e le maree

• La Fag della Luna sulla Terra causa le maree che
  si distinguono in due tipi di congiunzione o
  sigiziali (quando i due corpi celesti sono
  allineati con il Sole) di quadratura, quando i
  tre corpi celesti formano tra loro un angolo di
  90.

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Le Mont Saint Michel

• Alta marea

• Bassa marea

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LA FORZA ELETTROMAGNETICA

• Un fenomeno dovuto alla forza elettromagnetica è
  il campo magnetico Terrestre.

Tratta dal quaderno di Geraldo, in
www.pierluigistroppa.altervista.org
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LA FORZA ELETTROMAGNETICA E LATOMO

• Un altro fenomeno dovuto alla forza
  elettromagnetica è la rotazione nellatomo degli
  elettroni (con carica negativa) intorno al nucleo
  positivo (colore rosso nellanimazione).

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IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE ipotesi A

• Questa ipotesi spiegherebbe che il CMT è causato
  da unenorme barra metallica - dotata di
  magnetismo - posta nel nucleo terrestre essa
  creerebbe le linee di forza del campo magnetico
  terrestre.

• N.B questa teoria non è esatta, perché linterno
  terrestre ha una temperatura molto elevata (circa
  5000C) che farebbe perdere alla barra metallica
  le proprietà magnetiche.

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IPOTESI A
Da una spiegazione, in www.pierluigistroppa.alterv
ista.org
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IL CAMPO MAGNETICO TERRESTRE ipotesi B

• Questa ipotesi ben si sposa con le alte
  temperature presenti nellinterno terrestre

• Nel nucleo esterno ci sarebbero correnti
  elettriche ferrifere (forse di magnetite) che
  creerebbero le linee di forza del CMT.

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IPOTESI B
Da una spiegazione, in www.pierluigistroppa.alterv
ista.org
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Un semplice modello del CMT

• Con una calamita cava e del fil di ferro possiamo
  materializzare rispettivamente le correnti
  elettriche ferrifere nel nucleo esterno e le
  linee di forza del CMT da esse create

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Utilità del campo magnetico terrestre

• Il CMT è indispensabile per la vita del pianeta.
  Infatti esso ci protegge dal vento solare, dai
  raggi cosmici e aiuta e altri animali
  nellorientamento.

• Se il CMT si indebolisse il vento solare potrebbe
  spazzare via latmosfera, come probabilmente
  accadde su Marte miliardi di anni fa.

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Vento solare CMT

• Le linee di forza del CMT ci proteggono dal vento
  solare

Da www.teschio.net/foto/magnetico
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Vento solare CMT

• Potremmo essere vulnerabili al vento solare nel
  momento in cui il CMT sinvertirà

• ..tutto dipenderà dalla velocità con cui il
  fenomeno dinversione avverrà..

• Se il processo sarà istantaneo non correremo
  nessun rischio..

• Se linversione sarà lenta ci potrebbero essere
  dei problemi in tal caso le particelle ionizzate
  del vento solare interferirebbero con quelle
  della ionosfera creando problemi alle
  telecomunicazioni, allorientamento degli animali
  migratori .

• Ma non dovremmo preoccuparci più di tanto il
  fenomeno è già avvenuto molte volte nel passato
  (lultima volta 30.000 anni fa) e non sembra aver
  causato gravi problemi alla vita!

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Un altro 28 agosto 1859?

• Potremmo essere vulnerabili al vento solare nel
  momento in cui il CMT sinvertiràse lattività
  del Sole fosse al massimo, come accadde il 28
  agosto 1859

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Confronto tra le due forze

• Lattrazione gravitazionale tra PROTONI è
  approssimativamente 1036 volte più debole della
  REPULSIONE COULOMBIANA.

• A lato un semplice esperimento per dimostrare che
  la forza elettromagnetica è più forte di quella
  gravitazionale.

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La debolezza della forza di attrazione
gravitazionale

• Gli atomi sono tenuti insieme da forze
  elettriche. Tra il nucleo dellatomo che ha
  carica positiva e gli elettroni che hanno carica
  negativa vi è unattrazione elettrica.
  Immaginiamo di poter disattivare le forze
  elettriche.

• ...resterebbe comunque lattrazione
  gravitazionale. Quanto stretti potrebbero essere
  tenuti insieme il nucleo e gli elettroni dalla
  gravità? Quanto sarebbe grande un atomo tenuto
  insieme dalla gravità?

• Come una pulce? Come un topo? No. Come un
  grattacielo? No, andate pure avanti. Grande come
  la Terra? Non siamo neanche vicini. Il raggio di
  un atomo tenuto insieme dalla gravità sarebbe
  pari a cento volte il raggio delluniverso
  visibile!

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BIBLIOGRAFIA

• Nicola Dallaporta (1986), sguardo sullattuale
  cosmologia ed. Borla
• Franc Wilczek (2010), la leggerezza dellessere.
  La massa, letere e lunificazione delle forze
  ed. Mondadori
• Ippolita Martellotta Rosa Anna Rizzo (2009)
  English for Science, facing the future lingue
  Zanichelli
• Aldo Conti Lino Miramonti una particella molto
  sfuggente, in quark album cacciatori di
  neutrini. A cura dellINFN
• Antonio Masiero Massimo Pietroni Il lato
  oscuro dellUniverso in La materia oscura
  collana asimmetrie anno 2 n4-giugno 2007. A
  cura dellINFN
• Angela Bracco Al cuore della materia in Nuclei
  e stelle collana asimmetrie anno 4
  n9-settembre 2009. A cura dellINFN
• Alberto Del Guerra Antimateria al lavoro per la
  salute in antimateria collana asimmetrie
  anno 3 n7-ottobre 2008. A cura dellINFN
• Nicola Cabibbo Le interazioni deboli in la
  lunga caccia al neutrino collana asimmetrie
  anno 2 n3 - dicembre 2006. A cura dellINFN
• A.Zullini e U.Scaioni scienze della terra,
  edizioni ATLAS
• Poster INFN 1951-2001, 50 anni di ricerca
  italiana alla frontiera della scienza e della
  tecnologia
• Autori vari fisica, gli scienziati delle forze
  fondamentali e il loro istituto
• Stephen Hawking, 1988, A brief history of time,
  from the Big Bang to Black Holes
• F.Bagatti alii (2.000) elementi di chimica,
  sezione C dalla struttura dellatomo ai legami
  chimici.
• Luca Novelli (2007), Einstein e le macchine del
  tempo, in lampi di genio, ed. scienza

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SITOGRAFIA

• www.wikipedia
• www.pierluigistroppa.altervista.org
• www.infn.it
• www.asimmetrie.it
• www.cern