mercoledì 3 aprile 2013

Il pendolo di Foucault

Qualche giorno fa sono andato allo Science Museum di Londra e ho visto un pendolo di Focault. Non è stata la prima volta: avevo già avuto un incontro ravvicinato a Bologna nella Basilica di San Petronio ai tempi dell'università. Comunque, questa è la foto che ho scattato allo Science Museum di Londra:

Pendolo di Foucault allo Science Museum di Londra.

Cos'è il pendolo di Foucault? Per rispondere a questa domanda bisogna prima capire cos'è un pendolo.
In generale un pendolo è un sistema oscillante composto da un filo/cavo e un peso attaccato ad un'estremità di questo filo mentre l'altra estremità è fissata ad un punto. In questo modo il peso può oscillare attorno alla posizione di equilibrio del pendolo che coincide con la posizione in cui il filo è perpendicolare al suolo. 
Le forze in gioco nel pendolo sono due: la forza di gravità che attrae il peso verso terra e la tensione del filo. La gravità è diretta sempre verticalmente mentre la tensione è diretta lungo la direzione del filo.

La prima apparizione di questo pendolo è stata a Parigi nella cupola del Pantheon nel 1851. Si tratta di un filo lungo 67 metri con un peso attaccato di 28 chilogrammi.
Quando uno pensa ad un pendolo si aspetta che il pendolo oscilli. E infatti il pendolo di Foucault fa proprio questo. Ma fa anche qualcos'altro. Cambia la propria direzione di oscillazione!
Com'è possibile?
La risposta a questo è la forza di Coriolis. 
Questa forza è una forza apparente. Cioè è una forza che in realtà non è riconducibile ad un agente fisico ma piuttosto è il risultato della scelta del sistema di riferimento. L'esempio più classico è quello dell'autobus. Quando l'autista frena vi sentite spinti in avanti anche se nessuno vi ha spinto! Questo accade a causa del principio di inerzia che afferma che "un corpo in stato di quiete o che si muove a velocità costante tende a mantenere tale stato a meno che non intervenga una forza esterna a modificare lo stato di quiete o la velocità del corpo". Questo vale nei sistemi di riferimento inerziali, ovvero che non si muovono in maniera accelerata 
Nel caso dell'autobus vi trovate in un sistema di riferimento che all'improvviso frena, cioè cambia la sua velocità quindi decelera (o accelera negativamente)

Quindi se nessuno vi ha spinto vuol dire che siete stati vittima di una forza apparente. Ma perché si è generata una forza apparente? Perché dal vostro punto di vista, prima che l'autobus frenasse, voi eravate fermi. Invece un vostro amico alla fermata vi stava vedendo muovervi alla stessa velocità dell'autobus. Quindi quando l'autobus ha frenato, secondo il principio di inerzia e siccome non c'era nessuna forza esterna, dovevate mantenere la vostra velocità (uguale a quella dell'autobus) dal punto di vista dell'amico alla fermata. Invece voi sull'autobus sperimentate una forza apparente. Questo perché l'autobus non è un sistema inerziale e quindi non vale il principio di inerzia e quindi anche se eravate fermi accade qualcosa che vi muove senza l'intervento di una forza esterna.
Ecco perché quando l'autobus frena ognuno di noi tende ad andare avanti (e per questo bisogna reggersi sull'autobus!).

Dunque, ripetiamo, la forza di Coriolis è una forza apparente ed è dovuta al fatto che la Terra ruota. Quindi avrete già capito che la Terra non è un sistema inerziale.  In generale i sistemi che ruotano non sono sistemi inerziali e potete incontrare forze apparenti. Basta pensare ad un'auto in curva dove apparentemente vi sentite tirati verso l'esterno. Questa forza è chiamata centrifuga e, ricordatevelo, è una forza apparente dovuta al fatto che vi trovate in un sistema di riferimento in cui non vale il principio d'inerzia (ma ne riparleremo in questo blog prima o poi).
In particolare, poi, la forza di Coriolis si manifesta solo quando un oggetto si muove sulla superficie terrestre. Ed eccoci al pendolo di Foucault.
Infatti il pendolo si muove sulla superficie terrestre. Quindi è soggetto alla forza apparente di Coriolis. E l'effetto finale è che il pendolo cambia la propria direzione di oscillazione! Ecco perché vedrete sempre delle circonferenze con delle tacche ogni volta che andrete a vedere un pendolo di Foucault.

Il pendolo di Foucault oscilla mentre la Terra ruota (Fonte: Wikipedia).

Questo effetto però dipende dalla latitudine alla quale mettete il vostro pendolo.
Infatti se vi mettete al Polo Nord, nel corso di un giorno la direzione di oscillazione del pendolo cambierà di 360 gradi in quanto la Terra sotto ruota completamente.
Pensate a quando fate ruotare un pallone da basket con un dito. Il vostro dito è fermo ma il pallone fa alcuni giri completi. La stessa cosa accade al Polo Nord.

Al contrario, all'Equatore il pendolo non cambia affatto direzione di oscillazione perché il pendolo oscilla nella stessa direzione in cui la Terra ruota. Per capire questo pensate al tapis roulant: voi correte sopra al tappeto esattamente nella stessa direzione in cui il tappeto ruota. Lo stesso accade per il pendolo se lo mettete all'Equatore.
A Parigi, dove fu montato per la prima volta il pendolo di Foucault, l'effetto fu a metà tra i due estremi raccontati sopra riuscendo a compiere un giro completo in più di 24 ore.

Dunque il pendolo di Foucault è un esperimento molto importante perché dimostra la rotazione della Terra intorno al proprio asse.