Giroscopio, aspetta un momento!

Il giroscopio: potente strumento antigravitazionale o disciplinato servitore della Fisica? In questo articolo abbiamo provato a dare una risposta, senza troppe formule, senza troppe difficoltà.


Tempo di lettura stimato: 7 minuti
Difficoltà:


Neanche questa sessione ci ha uccisi. Ci ha fatto male, ma siamo ancora qui, pronti a farci giogo della tua ignoranza Billy.

E per questo che continuo a sostenere gli esami, per schiaffeggiarti a suon di scienza, perché è questo che mi piace fare, seviziarti con la fisica.
Tuttavia è tanto che non ci vediamo, quindi oggi utilizzerò un approccio più soft.

Ti ricordi quando alle elementari/medie/superiori entrava il televisore e tutta la classe esplodeva in felicità ed urla da stadio?
Bene, allora immagina che io ti stia portando un televisore (ora è il momento in cui dovresti urlare) con un video, questo video:

Se non ne dovessi aver mai sentito parlare (e conoscendoti non mi sorprenderei affatto), il giocattolino che i ragazzi hanno tra le mani è un giroscopio.

Ma quella è una trottola!

No quella è quasi una trottola. Infatti a ruotare non è tutto il corpo, ma solo il disco più interno, ed è proprio questa particolarità che gli permette di non cadere quando, nell’istante 1:10 del video, viene posto in orizzontale.

Antigravità? Gli alieni? Lli zingari?

La meno plausibile è la prima, ad ogni modo la risposta più giusta è la quarta: il momento.
Ma non ti voglio cogliere impreparato, e non ti voglio neanche riempire di formule, quindi cercherò di fare il discorso più semplice che la mia schizofrenica mente riuscirà a partorire.

Come TUTTE le scienze, anche la fisica ha delle fondamenta. Queste sono dei postulati, dei principi cardine, delle evidenze sperimentali non contraddette da nessun esperimento ideato o osservato dall’uomo e non si tratta di un atto di fede, è piuttosto un’accettazione razionale, che DEVE come tale essere poter messa in discussione.

ATTENZIONE: QUI COMINCIA UN MIO SPROLOQUIO SULLA FISICA, SE NON SEI INTERESSATO SALTA FINO A “SHAMALAYA!”

Ci tengo a farti capire cosa intendo: la fisica, o meglio la filosofia naturale (come la chiamano i vecchi greCHi), non offre un pacchetto di verità pronto da essere scartato e venerato. Lei sta lì, conscia del suo potere, ed è restìa; si concede poco e a pochi, quel tantino per progredire quanto basta affinché il passo successivo non sia impossibile.

Ma l’uomo è fallibile e non è nato con delle nozioni di scienza, per cui quando ha cominciamo a costruire un modo per approcciarsi alle leggi che governano il tutto ha dovuto porre dei capisaldi, come ho detto prima, delle fondamenta. Ma queste fondamenta possono essere sbagliate, ed ogni persona che vuole avvicinarsi alla fisica lo deve sapere.

Popper lo ha detto per una vita intera: la scienza è costruita su delle palafitte.
Nessuna frase poteva riassumere meglio questo mio forse inutile sproloquio.

Ad ogni modo Billy non disperare.
Il discorso che ti ho fatto non era per sminuire i principi della fisica, anzi.
Ogni attimo che passa senza invalidare questi principi li rafforza, quindi sono presi come verità praticamente assolute, ma ci terrei che i miei lettori siano consci che tutto ciò che riguarda l’uomo non è mai assoluto, tantomeno la fisica così come la costruiamo.

SHAMALAYA!

Ora però la smetto di annoiarti e lascio parlare i vettori.
Tutto questo sproloquio è nato dal fatto che alla base del funzionamento di questo giroscopio c’è uno dei principi fondamentali della fisica: la legge di conservazione del momento angolare.

Ma cos’è il momento angolare?

Ottima domanda Billy, ma non ti risponderò appieno,  perché non capiresti e non ti servirebbe più di tanto ai fini della spiegazione. Ti basti sapere che esso è una particolare grandezza fisica che si utilizza per parlare di oggetti dotati di moto rotatorio e che, secondo il principio che ti ho citato prima, in assenza di forze esterne si conserva nel tempo.

Così come la velocità di un corpo può essere modificata solo da forze esterne che agiscono su di esso, allo stesso modo il momno angolare di un corpo può essere modificato solo tramite dei momenti di forze, in analogia a quanto appena citato.

Ora cominci ad avere le basi per poter capire.

In assenza di rotazione, se il giroscopio fosse messo per orizzontale, su di lui agirebbe la forza di gravità che genererebbe un momento di forza che porterebbe a far girare il giroscopio facendolo cadere (come quando solleviamo la matita per un’estremità lasciandola libera di muoversi).

Se invece la il giroscopio è in rotazione, ad ogni singola particella che si muove di moto rotatorio possiamo assegnare un momento angolare.

Per visualizzarlo, esso è la freccia di colore verde chiaro (L) che compare in questa gif offerta gentilmente da Wikipedia:

Come vedete il momento angolare è perpendicolare rispetto al piano della velocità e questo deriva da quella X tra raggio e quantità di moto che trovate nella legenda che rappresenta un prodotto vettoriale, ma non spaventarti, possiamo farne a meno.

Ma la forza di gravità?

Mi sorprendi oggi caro. Si vede che ti sono mancato.
Abbiamo già detto che solo una forza applicata (e quindi il suo momento di forza) può modificare il momento angolare. Dovete quindi immaginare che sulla pallina qui sopra ci sia un’ulteriore freccia, fissa nel tempo e che punta verso il basso. Il relativo momento di forza associato sarà allora diretto come il vettore blu (che in realtà nel disegno rappresenta tutt’altro) quando la pallina sta entrando nello schermo (dover fare esempi senza ricorre alle formule è più difficile per me che per voi credetemi).

Ora, poiché il momento angolare era perpendicolare alla velocità (che potete assimilare alla freccia di verde più scuro), sarà allo stesso modo perpendicolare al momento delle forze. Questo significa che il momento in questione non può modificare il vettore della quantità di moto (proprio perché i due agiscono in due direzioni opposte) ma farà si che questo (il momento angolare) tenda ad allinearsi alla sua direzione (del momento di forza).

Quello che ne viene fuori è detto moto di precessione.

Ricapitolando, perché il giroscopio non cade?

Perché la forza di gravità che agisce sul giroscopio, nel caso in cui il disco è in rotazione, non tenderà semplicemente a “farlo cadere” in quanto dovrà fare i conti con il momento angolare esistente; ma, dal momento che i due sono perpendicolari, la forza non può influenzarlo in “grandezza” (diminuirlo o accrescerlo) ma ne può modificare la direzione generando questo moto attorno al perno.

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Al diminuire della velocità di rotazione (dannato attrito!)  aumenterà la velocità di precessione, fino a quando il corpo non sosterrà più il proprio peso e si lascerà cadere.
Fino ad allora tuttavia, avrete davanti un vero e proprio oggetto che potrete spacciare per antigravitazionale ai vostri amici che non leggono Fisici Senza Palestra (e che quindi sono dei piccoli stronzetti tra l’altro).

Mi rendo conto che questo articolo non sia dei più facili quindi se avete qualche dubbio prendetevi un momento per riflettere (questa è molto triste) e se il malore persiste qui sotto ci sono i commenti, abusatene pure.

Se volete divertivi anche voi, con una decina di euro ve la cavate.

Al prossimo articolo, magari non tra due mesi.

Pubblicato da Raffaele Farinaro

Se il blog esiste è solo colpa sua. Mezzo campano e mezzo abruzzese ha la fissa per gli ologrammi, la divulgazione scientifica e Iron Man. E la pizza.