Fisica generale - metodo Sperimentale e Vettori

La fisica

Introduzione alla fisica (I)

Il nome fisica deriva dalla parola greca che vuol dire "natura" e consiste dichiaratamente nello studio della natura. A partire all'incirca dagli anni '30 del secolo XX, in seguito alla sistemazione razionale degli studi sugli atomi, la fisica viene divisa in fisica classica e fisica moderna. Tradizionalmente la fisica classica si divide in varie parti e cioè meccanica, acustica, termologia, ottica ed elettromagnetismo (o elettrologia) e questa divisione ha origine proprio, ad eccezione dell'elettromagnetismo, dalle nostre sensazioni: sensazioni di movimento di suono, di luce, di calore.

La fisica si è però molto allontanata da questo suo inizio puramente empirico e soggettivo e cerca di creare una descrizione della natura indipendente dai limiti variabili ed estremamente vaghi delle nostre sensazioni individuali. Per ottenere ciò la fisica ricorre al metodo sperimentale: si misura tutto ciò che, secondo le nostre osservazioni, partecipa ad un fenomeno. Si applica cioè il metodo di Galileo Galilei che fu il primo a proporlo e di fatto applicarlo in pratica. Prima le conoscenze della filosofia naturale si basavano sugli assiomi aristotelici, puri assiomi mai verificati che facevano parte della filosofia ma erano ben lontani ed in completa opposizione ad un vero studio dei fenomeni naturali. In questo senso Galileo fu il primo fisico della storia.

Introduzione alla fisica (II)

Le misure delle grandezze fisiche implicate in un fenomeno sono espresse da numeri reali ed intervengono come tali nei vari ragionamenti nei quali si fa uso prevalente del linguaggio matematico. Molte parti della matematica sono nate e sono state sviluppate per esigenze imposte dalla fisica.

Oltre alla fisica classica, si è sviluppata nel XX secolo la cosiddetta fisica moderna che, sempre basandosi su osservazioni e misure di grandezze fisiche prevalentemente legate da un lato all'estremamente piccolo (molecole, atomi, nuclei, particelle elementari) e dall'altro all'estremamente grande e distante (astri e osservazioni astronomiche) e all'estremamente veloce (onde elettromagnetiche e luce) ha descritto brillantemente tutte queste fenomenologie rispettivamente nella teoria della relatività (ristretta e generale) e nella meccanica quantistica.

Gli studi attuali sono rivolti ad una maggiore comprensione sia per quanto riguarda lo studio della struttura della materia sia per quanto riguarda lo studio delle interazioni fondamentali.

Introduzione alla fisica (III)

Come si è accennato, lo studio della fisica può essere suddiviso in sei argomenti principali:

• Meccanica classica, che studia il moto degli oggetti che sono grandi rispetto agli atomi e che si muovono a velocità molto più basse della velocità della luce.
• Relatività, che è una teoria che descrive oggetti che si muovono a qualsiasi velocità, anche velocità che si avvicinano alla velocità della luce.
• Termodinamica, che studia la temperatura, il calore, il lavoro, e il comportamento statistico di sistemi con un grande numero di particelle.
• Elettromagnetismo, che studia l'elettricità, il magnetismo e i campi elettromagnetici.
• Ottica, che studia il comportamento della luce e la sua interazione con i materiali.
• Meccanica quantistica, un insieme di teorie che collegano il comportamento della materia a livello submicroscopico alle osservazioni macroscopiche.

Fenomeni, misure e leggi fisiche

Fenomeni, osservazioni e misure

Un fenomeno è una variazione dello stato di cose che ci circonda e che i nostri sensi, o direttamente, o per mezzo di strumenti, ci permettono di osservare ed è quindi una transizione da uno stato A ad uno stato B diverso in almeno qualcosa da A. Esempi di fenomeni sono:

1. Un oggetto inizialmente su un tavolo (stato A) cade sul suolo e qui si ferma in una certa posizione (stato B).
2. Si gira l'interruttore di una lampada elettrica. Il filamento di questa inizialmente a temperatura ambiente (stato A), diviene incandescente (stato B).

Questi fenomeni (molti altri se ne potrebbero trovare) sono sufficienti a mostrare che osservare un fenomeno significa constatare che, in un tempo più o meno lungo, ha luogo la "transizione" da uno "stato iniziale" A a uno "stato finale" B. Naturalmente ciò è possibile solo se la transizione da A a B si ripete; se cioè, a partire dall’osservazione di A e da eventuali effetti concomitanti, si perviene sempre sistematicamente allo stato B entro un certo tempo. Questa correlazione infatti induce e poi permette di stabilire una "correlazione" definita fra A e B.

Se nel caso dell’oggetto che cade la forza peso cambiasse direzione accidentalmente e senza alcuna regolarità, o se, ferma restando la tensione elettrica, l’aprire e chiudere l’interruttore non fosse regolarmente seguito dall’incandescenza del filamento, noi non saremmo in grado di stabilire una correlazione fra A e B e quindi di osservare il fenomeno corrispondente. In conclusione, ogni fenomeno è e deve essere "riproducibile".

Fenomeni, misure e leggi fisiche II

Per tutte le scienze sperimentali deve essere considerato valido l’assioma fondamentale in base al quale si ritiene che:

1. Uno stato iniziale A si evolve nello stato finale B quando si riproducono le circostanze, chiamate anche "cause", che determinano la transizione da A a B.
2. In linea di principio sia sempre possibile o naturalmente oppure con un nostro intenzionale intervento (ad es. quando si gira l’interruttore di una lampada elettrica) ripristinare, partendo da A, quelle "cause" di cui B è globalmente l’"effetto".

Il poter descrivere con una correlazione "causa – effetto" la transizione fra A e B è il primo passo necessario per comprendere un fenomeno. La descrizione di un fenomeno deve implicare solo elementi di giudizio oggettivi inerenti al fenomeno ed essere indipendente dalle caratteristiche fisiologiche dell’osservatore e ovviamente esprimibile in termini razionali. L’unico modo di poter fare ciò è quello di sostituire alle parole i numeri e cioè "misurare" ciò che possa, secondo il nostro giudizio, partecipare "in modo determinante" al fenomeno che interessa.

Fenomeni, misure e leggi fisiche III

Per quanto concerne la misura, occorre sempre avere presente la massima di Thomson: "Io affermo che quando voi potete misurare ed esprimere in numeri ciò di cui state parlando, voi sapete effettivamente qualcosa; ma, quando non vi è possibile esprimere in numeri l’oggetto della vostra indagine, insoddisfacente ne è la vostra conoscenza e scarso il vostro progresso dal punto di vista scientifico".

Sostituire ad un concetto esprimibile qualitativamente con parole più o meno idonee, quantitativamente ad un “numero” che sia il risultato di una misura, significa rendere la filosofia naturale e quindi fare della scienza. Questa evoluzione, dal qualitativo al quantitativo, è principalmente dovuta a Galileo Galilei ed è una delle basi del metodo sperimentale, anche detto metodo galileiano.

Il metodo sperimentale è un metodo generale per cui si parte dall’osservazione dei fenomeni così come si presentano in natura, per sottoporli poi all’esperienza, cioè all’osservazione eseguita nelle condizioni più opportune per metterne in evidenza i lati essenziali.

Per esempio, per studiare la caduta dei gravi, Galileo fece uso del piano inclinato che gli permetteva di avere ancora a disposizione una forza costante, come quella di gravità, ma di entità minore, di modo che le accelerazioni determinate da questa forza potevano essere rese ancora abbastanza piccole (tanto più piccole quanto meno inclinato era il piano), che tutto il fenomeno del moto diveniva facilmente suscettibile di osservazione e misura.

Fenomeni, misure e leggi fisiche IV

Metodo sperimentale (segue)

In generale, l’esperienza consiste nel produrre o riprodurre artificialmente i fenomeni in condizioni facilmente controllabili, le più semplici possibili. Nel progettare un esperimento bisogna cercare di ridurre al minimo o eliminare tutte le cause secondarie che possano renderne difficile l’interpretazione. L’eliminazione di tali cause secondarie porta a semplificazioni notevolissime e rende comprensibili, nei loro aspetti fondamentali, dei fenomeni altrimenti inestricabili.

L’attrito, con le sue manifestazioni complesse e spesso riposte, ha celato per secoli le leggi semplici della meccanica. Galileo Galilei ha enunciato, in forma corretta, le leggi meccaniche ed essenzialmente il principio di inerzia, proprio perché, nello studio dei fenomeni, ha saputo per primo discernere fra i fatti essenziali e le perturbazioni dovute agli attriti.

Il metodo sperimentale in definitiva permette di determinare le relazioni esistenti fra le grandezze che intervengono in modo essenziale in un fenomeno stabilendo fra esse rapporti quantitativi di causa ed effetto. Quando queste relazioni sono legittimamente estendibili a tutta una classe di fenomeni (p.es. alla generica caduta di un grave, qualunque sia il grave, l’altezza da cui cade, etc.) si enunciano in forma generale e si dicono "leggi". In sostanza, una legge fisica è quasi sempre la formulazione matematica della correlazione che si stabilisce fra lo stato iniziale A e lo stato finale B in ragione delle cause che determinano la transizione fra A e B. Tuttavia, questa formulazione ha il valore di una legge solo quando la transizione A → B risulti essere un caso particolare di una classe di fenomeni aventi in comune le stesse relazioni fra cause ed effetti.

Grandezze fisiche

Il concetto di grandezza fisica è intimamente legato al concetto di misura. Non si può definire e, al limite, neppure parlare di una grandezza fisica se non la si sa misurare. La prima percezione di molte grandezze fisiche ci viene dai sensi. Questo vale per le più basilari nozioni della fisica quali: tempo, spazio, (e la loro combinazione che chiamiamo movimento) e materia.

Definizione operativa delle grandezze fisiche

Per poter dare una definizione scientifica di una grandezza fisica occorre però un procedimento più rigoroso che vada al di là...