L'apparato "Gravità"

un modello dell'esperimento
concepito da Galileo Galilei
sulla caduta dei gravi

Proposta e progettazione: Carlo Bemporad, Carlo Bradaschia, Marco Grassi, Gianni Gennaro

La realizzazione di questo esperimento è stata resa possibile da uno speciale finanziamento dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, in occasione delle celebrazioni connesse all'anno mondiale della fisica WYP2005.


Cosa è "Gravità"?

L'apparato "Gravità" è la realizzazione dell'esperimento pensato da Galileo Galilei sulla caduta dei gravi, in una versione attuale e di grandi dimensioni, ben visibile ed apprezzabile da parte del pubblico.

L'esperimento permette di verificare l'universalità della legge di caduta dei gravi, perché dimostra come, nel vuoto, una piuma ed un oggetto pesante, se lasciati cadere insieme dall'alto, raggiungano contemporaneamente terra. L'osservazione di tale fenomeno colpisce in quanto in contrasto con la "normale esperienza", in presenza della resistenza dell'aria.

L'apparato mette a confronto la caduta di una piuma e di una palla ferro, in due diverse colonne di vetro alte tre metri. In una è presente l'aria a normale pressione atmosferica, nell'altra è stato fatto il vuoto.

Grazie ad un sistema di sgancio/aggancio magnetico non è necessario alcun intervento dall'esterno ed il sistema funziona con continuità dimostrando, in maniera spettacolare, come il grande scienziato pisano avesse perfettamente compreso quali fossero realmente le leggi che governano il moto.

LA FISICA DELL'ESPERIMENTO

Galileo non realizzò mai, in realtà, un esperimento di questo tipo, cosa che fece, più tardi, Newton.
Galileo, tuttavia, in un brano dei "Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze", descrive in dettaglio lo svolgersi dell'esperimento, al punto che sembra impossibile che non lo abbia realmente effettuato. Egli ne spiega in dettaglio i risultati: dall'accelerazione uniforme dei corpi che cadono nel vuoto, al raggiungimento di una velocità massima quando un corpo cade nell'aria, dovuto al bilanciamento fra la forza di gravità, che attira il corpo verso il centro della terra, e la resistenza dell'aria, che cresce all'aumentare della velocità del corpo, opponendosi al suo moto.

Con questo esperimento, per quanto all'epoca solo virtuale, Galileo va oltre la visione aristotelica del moto che prevedeva che i corpi soggetti ad una forza costante si muovessero con velocità costante, e propone una legge del moto alternativa. I corpi soggetti ad una forza costante nel tempo si muovono, ci dice Galileo, con accelerazione costante. Lo spazio percorso è proporzionale al quadrato del tempo.

La legge aristotelica aveva la sua base in osservazioni della realtà quotidiana che però non tenevano in conto tutte le forze a cui è sottoposto un corpo che cade. Effettivamente un oggetto che cade a causa dell'attrazione costante della terra (la forza di gravità) raggiunge quasi immediatamente una velocità costante. Ciò è dovuto alla resistenza dell'aria, che costituisce una forza che si oppone al moto; tale forza cresce al crescere della velocità del corpo, finché questa non raggiunge un valore limite costante, proprio perché la forza d'attrito bilancia esattamente la forza di gravità: a questo punto il corpo è soggetto ad una forza totale nulla e si muove con velocità costante: è il principio d'inerzia. Esattamente lo stesso succedeva, ai tempi di Galileo, per una carrozza sotto il tiro costante di un cavallo e, ai giorni nostri, per un'automobile, sotto la spinta costante del motore; l'attrito delle ruote sulla strada e la resistenza dell'aria rendono nulla la forza totale applicata al veicolo, quando questo si muove con velocità costante.

Tutto ciò si può osservare, qualitativamente, ma in dettaglio, nell'apparato dimostrativo "Gravità"

Nella colonna sotto vuoto, da cui è stata estratta l'aria (il manometro alla base indica 0 atmosfere), la palla di ferro e la piuma, soggette soltanto all'attrazione della terra, cadono in modo perfettamente sincrono, con la stessa accelerazione, l'accelerazione di gravità (9.8 m/s2). Lo spazio di caduta di 3 metri è percorso in circa poco meno di 1 secondo (0.8 secondi). Il moto uniformemente accelerato si può percepire notando che nella prima metà del tempo di caduta (0.4 secondi) gli oggetti percorrono 80 cm, mentre nei seguenti 4 decimi di secondo raggiungono la base della colonna, percorrendo ben 220 cm.

Nella colonna in cui è rimasta l'aria (il manometro alla base indica 1 atmosfera), una palla e una piuma identiche alle precedenti, cadono sotto l'effetto della forza di gravità e della resistenza dell'aria.

La palla di ferro ha una densità elevata cioè una grande massa e piccole dimensioni: essa e' soggetta ad una forza di gravità intensa (la forza peso) e ad un attrito modesto, che genera una resistenza aerodinamica che, pur crescendo con la velocità, rimane piccola rispetto al peso. Per percorrere lo spazio di caduta impiega un tempo impercettibilmente maggiore rispetto alla palla che cade nel vuoto.

Viceversa, la piuma è leggera ed ha grandi dimensioni, quindi basta che si muova con una piccola velocità perché l'attrito dell'aria generi una forza sufficiente a bilanciare il suo peso. La piuma cade molto più lentamente e, a parte il primissimo tratto di percorso, scende palesemente a velocità costante.

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - INFN Sezione di Pisa