Spazio e Scienze

Fisica questa sconosciuta, l’esperto fa le pulci ai commenti

Un paio di giorni fa abbiamo pubblicato su Facebook un banale quesito: "C'è un piccolo elicottero dentro un treno, più o meno stabile a mezz'aria. Alla partenza del treno, l'elicottero resta al suo posto o finisce a sbattere in fondo al vagone?" La domanda così posta ha scatenato un ordinario pandemonio nei commenti. In qualche caso si è sfiorata la rissa, come spesso accade tanti hanno detto la loro, aggrappandosi alle proprie conoscenze di Fisica.

Davanti al risultato ci siamo sentiti moralmente in dovere di intervenire in difesa della Fisica, che in qualche caso è stata pesantemente molestata, e per conseguenza di mettere al suo posto il malcapitato elicottero, e i neuroni impazziti che gli hanno fatto percorrere improbabili traiettorie. Non solo: sperando che nessuno si offenda (del resto i commenti sono pubblici, e non li abbiamo pubblicati noi a tradimento!) abbiamo deciso di proporre alcuni degli errori più clamorosi, per darvi la possibilità in futuro di fare una figura migliore.

Non vogliatecene se leggerete proprio la vostra (mal)trattazione scientifica invece che quella di chi vi ha preceduto o seguito: l'imbarazzo della scelta era tale che abbiamo "pescato nel mazzo" facendoci guidare dalla dea bendata.

In questo duro lavoro ci ha aiutato Lupo Alberto, un Fisico delle Particelle che (lui sì) ne sa, e che resterà anonimo perché si sa, chi "sa davvero" le cose spesso non sente il bisogno di farlo vedere. Anche questo è un insegnamento!

Allora, iniziamo con il vincitore, anzi due pari merito, che vi svelano anche la soluzione corretta al problema:

Primo esempio da imitare

Piereligio Di Sante Va a sbattere. È vero che l'aria lo sposta in avanti, ma non a sufficienza, essendo una massa considerevole (qualche kg). In poche parole l'elicottero non rimane perfettamente sul posto, né da un punto di vista esterno al treno (si vedrà andare leggermente nella direzione del treno), né da un punto di vista interno (andrà a sbattere contro il vagone quasi alla stessa velocità del treno, in direzione opposta ovviamente). Una mosca pesa pochi grammi, e perciò viene spostata dall'aria.

Se così non fosse, una folata di vento sarebbe sufficiente a mandare un elicottero alla velocità del vento stesso, ma sappiamo bene che l'elicottero prenderà soltanto una parte della velocità dal vento, e con un'accelerazione minima.

Il migliore, poche parole semplicistiche ma corrette.

 Secondo esempio da imitare

Giorgio Scioldo Dipende dalla lunghezza del vagone e dall'intensità e dalla durata dell'accelerazione. Spinto dall'aria contenuta nel vagone l'elicottero accelera nella stessa direzione del treno, ma meno del treno stesso. Se l'accelerazione del treno è lieve e breve l'elicottero, pur avvicinandosi al fondo del vagone, potrebbe raggiungere la stessa velocità del treno prima di sbattere.

Risposta esatta, applausi!

Gli errori

Adesso che sapete qual è la risposta corretta, vediamo alcuni dei tanti errori che abbiamo avvistato. In questo caso abbiamo volutamente omesso i nomi, perché quello che interessa non è mettere alla gogna chi ha sbagliato, ma far capire che c'è un errore di fondo. Non ve la prendete con il nostro consulente irriverente, che alla fine è stato di manica larga perché come ha tenuto a sottolineare "ci vuole un minimo di comprensione… mi facessero discorsi del genere i miei studenti a un esame li spellerei, ma loro non sono studenti di Fisica".

Fuochino

Inizialmente i due sistemi hanno la stessa velocità, pari a quella della rotazione terrestre. Se l'elicottero si stacca dal sistema treno, allora avrà sempre la stessa velocità del treno fermo. Ma se quest'ultimo parte, e l'elicottero non è vincolato in alcun modo al treno, allora il treno avrà velocità "rotazione terreste + sua accelerazione" mentre l'elicottero rimarrà a velocità "rotazione terrestre ", andando a sbattere.

Ha quasi ragione. Però quello che dice avviene solo in assenza d'aria, altrimenti dopo un po' l'aria mossa dal treno si trascina dietro l'elicottero, il quale inizia a viaggiare alla velocità del treno. Comunque è pura accademia visto che senza aria l'elicottero non vola.

Maledette molecole d'aria

Secondo me nessuna delle due: cade. Cade perché le molecole dell'aria vengono accelerate da una forza diversa dalla gravità, che è perpendicolare al pavimento, i rotori non sono progettati per questo cambiamento di direzione statistico delle molecole d'aria e cade. 

Quindi quando si alza un filo di vento gli elicotteri precipitano tutti come pere mature??

Non lo so ma te lo spiego

È bello vedere quanta gente non sa la Fisica e afferma di saperla! Partiamo dal caso semplice in cui l'elicottero è fermo e stabile di per sé e non spinto da nessuna forza quindi il treno se ne va avanti lui resta lì e bam sul controllore! Adesso mettiamoci l'attrito dell'aria che però e proporzionale alla velocità quindi all'inizio è come se non ci fosse, risultato sbattiamo sul controllore un filo più delicatamente! Ma la vera differenza la fa il sistema di stabilizzazione. GPS o inerziale? Bam sul capotreno! Ottico o manuale di un passeggero a bordo? Nessuno si fa niente.

P.S. mi è partito il trip: volendo si potrebbe considerare la forza dovuta all'inerzia dell'aria nel vagone che aumenta la pressione e quindi la densità sul retro del vagone facendo sì che le pale spingano leggermente di più sul retro inclinando in avanti l'elicottero. Ma non vogliamo considerarlo.

Dalla chiarezza dell'eloquio sembra che la piaga del non sapere la Fisica (ma parlarne lo stesso) abbia colpito anche lui…

Questione di punti di vista

Facciamo un diagramma di corpo libero, mettendoci nel sistema di riferimento inerziale terrestre. Abbiamo due forze con stessa direzione e verso opposto che si annullano a vicenda: la forza peso e la portanza. Orizzontalmente quali forze abbiamo? Il treno, nel suo moto, trascina con s'è l'aria contenuta al suo interno, portandola alla stessa velocità, costante, del treno. Guardandola dall'interno, l'aria è ferma, ma guardandola dall'esterno l'aria è in movimento, e noi stiamo studiando il fenomeno dall'esterno. Sull'elicottero agisce quindi un vento causato dal moto del treno, che lo spinge nella direzione in cui si muove il treno. Ad un osservatore anch'esso sul treno, spinto anch'esso da una forza di diversa intensità, ma ce lo porta alla stessa velocità, l'elicottero sembrerà dunque fermo. L'attrito come lo intendiamo comunemente, se non quello che ostacola la rotazione delle pale, non ha quindi gioco qui, perché non c'è velocità relativa tra elicottero e vento. Discorso diverso si avrebbe nel caso in cui il treno fosse in modo accelerato: in quel caso l'elicottero sbanda (avanti o indietro) per effetto della sua inerzia, che lo vorrebbe mantenere in moto rettilineo uniforme, e in quel caso ci sarebbero le forze d'attrito che lo aiutano a restare fermo.

Sbanda avanti e indietro da un sistema di riferimento all'altro peggio del povero elicottero

Elicottero a stabilità totale

Il treno accelera in avanti ma (nel sistema di riferimento treno) l'inerzia dell'elicottero esercita una forza indietro su di esso non contrastabile dall'aria (unico "corpo" a contatto con l'elicottero). E con l'elicottero che esercita una forza solo verso il basso per stare in aria: l'elicottero si schianta alla parete verticale del vagone!

Ha inventato l'elicottero a stabilità totale, insensibile ai venti di qualunque entità. Farà soldi

Dov'è che resta?

Se non stiamo parlando di un ambiente teorico resta dov'è, perché in realtà l'elicottero "poggia" sulla massa d'aria messa in movimento dalle pale, e quella è dipendente dall'ambiente interno del vagone. Se non viene considerata l'aria e si suppone che l'oggetto levita allora si, andrebbe a sbattere sul fondo del treno, non acquisisce lo spostamento indotto dal treno, ma poi che ci fa un elicottero dentro un treno?

Avrebbe fatto la gioia del mio prof di laboratorio del primo anno, che l'avrebbe buttato fuori urlando "resta dov'è, ma dove???". Anche lui ha inventato un elicottero antivento, altro futuro miliardario.

Arte o Fisica?

L'elicottero riesce a volare sfruttando la densità dell'aria. Aria che non si muoverà esattamente in sincrono con il treno quando questo parte, ma avrà un leggero ritardo. L'elicottero quindi, fino a che l'aria non sarà solidale con il treno, si avvicinerà alla parete posteriore. Quindi se l'elicottero andrà a sbattere o no, dipenderà da quanto è vicino alla parete nel momento zero. Ovviamente una volta che il treno ha velocità costante, l'aria sarà solidale col treno e quindi l'elicottero si muoverà esattamente come il treno (sempre che non vi siano variazioni, anche minime, di qualunque tipo di accelerazione).

I pezzi del puzzle ce li ha tutti, li incastra alla bell'è meglio e ottiene un quadro di Picasso

Il sedile da elicottero

Io credo possa sbattere contro il vagone solo nel caso in cui l'elicotterino stia mantenendo la propria posizione tramite il gps, altrimenti il sistema chiuso dell'interno del vagone e l'effetto suolo generato dal rotore impongono all'elicottero più o meno le stesse condizioni che deve subire un qualsiasi altro elemento all' interno del vagone, essendo tutti in un sistema di riferimento differente da quello del treno.

Lui invece ha inventato il sedile da elicottero, che fa sì che l'elicottero si comporti come un passeggero. Perde il riferimento sul sistema di riferimento

Alza il finestrino!

I finestrini sono aperti o chiusi? È un punto focale:
A) Perché vengono rappresentati nell'immagine
B) Perché se chiusi, l'aria all'interno non subisce grosse pressioni e rimane comunque confinata nella lamiera del mezzo…
se aperti, si crea un flusso d'aria che incide sulla stabilità del velivolo… se questo venga o meno trascinato in fondo al treno, dipende dal pilota del velivolo, che può compensare usando la fisica delle pale o lasciare che il suo giocattolo segua le correnti d'aria e sfracellarsi contro qualche parete

La butta in caciara aprendo un finestrino sul più bello

Quando l'italiano ammazza la Fisica

Resta fermo rispetto al treno fino a che il fondo del treno lo colpisce, ed a quel punto va a farsi benedire l'esperimento in quanto l'elica di coda viene colpita e l'elicottero gira su sé stesso andando con le pale centrali in collisione con la parete… dire che si sposta con il treno è come dire che metto un elicotterino in una scatola e portandola in giro l'elicottero resta al centro della scatola…

Capolavoro. "Resta fermo rispetto al treno fino a che il fondo del treno lo colpisce" è  puro nonsenso. Ma non di Fisica. Di italiano.

Se ti insulto vinco io

Invece di dare definizioni così tecniche potreste dire semplicemente che: l'elicottero andrà a sbattere contro la parete poiché è come lanciare in aria un sasso e spostarsi. Dove l'elicottero è il sasso ed il treno siamo noi. Dovreste fare un po' meno i fighi. 

Il bad boy della compagnia, quello che quando non la sa invece di tacere la mette sull'insulto. Premio Napalm51.

Acquario su rotaia

La chiave per la comprensione è immaginarsi che il treno sia completamente riempito d'acqua, per immaginarsi la viscosità. Questo significa che l'aria, nonostante abbia una resistenza minore dell'acqua, applicherà una forza contraria al movimento dell'elicottero, rendendolo più o meno vincolato dal sistema treno. Dunque se il treno accelererà, il drone si muoverà nella direzione opposta dell'accelerazione, ma solo inizialmente e in modo limitato. 

Annega tutti i passeggeri per giocare col suo elicottero. Strage insensata

 Elicottero antivento, prima puntata

Sbatte. Preso un punto come sistema di riferimento esterno al treno quest'ultimo si muove rispetto il sistema di riferimento mentre l'elicottero resta fermo rispetto il sistema di riferimento e quindi in pratica il vagone interno colpirà l'elicottero. Se l'elicottero era sul pavimento si sarebbe mosso insieme al treno ed avrebbe preso il suo moto. Se non siete convinti prendete una sedia con le ruote, prendete una pallina di carta lanciate la pallina di carta in alto e subito dopo muovetevi con la sedia in avanti, scoprirete che la pallina non vi tornerà in mano.

Altro socio della ditta produttrice di elicotteri antivento

Parrucchiere cercansi

A chi dice che resta al suo posto perché librandosi segue l'aria. Anche l'aria in fase di accelerazione si sposta indietro e in fase di frenata si sposta avanti. L'elicottero non è vincolato a nulla, perciò andrà indietro. C'è un video molto bello di un tipo che lega un palloncino di elio dentro la macchina ed esso si sposta in direzione inversa a dove va l'aria, proprio per dimostrare questa cosa.

Sulla sua auto l'aria si sposta anche a finestrini chiusi, spettinandolo di continuo quando accelera e frena. Colletta per mandarlo dal parrucchiere a farsi dare una sistemata

Nell'incertezza vado a dormire

È un problema ai sistemi inerziali, o non accelerati, se il treno accelera con un valore fisso e costante, diventa un sistema non inerziale, dentro il vagone agiscono forze apparenti (pur essendo apparenti, compiono lavoro). Tutto questo cosa vuol dire? Andate a dormire sereni…

Altro professore del nulla, risolve marzullianamente il problema mandando tutti a nanna dopo aver pontificato "a caso".

Cado, cado, cadoooo

Beh, lui rimane sempre lì, a mezz'aria, non può sbattere, perché tutto ciò che c'è all'interno del treno non si muove e rimane fermo, se le persone si aggrappano ai pali è solo perché si possono presentare delle vibrazioni mentre il treno cammina visto che non va piano, ma ugualmente se voi poggiate una borsa sul treno, mica quella mette le gambe e scappa..

Detto Ercolino Sempreinpiedi, lui in metro non si aggrappa mai perché le vibrazioni gli fanno un baffo. Da vedere la performance in caso di frenata d'emergenza

L'ermetico

L'elicottero va a sbattere, ma non in fondo al vagone, bensì nella parte anteriore.

Almeno lui ci fa perdere poco tempo, con una risposta tanto stringata quanto sbagliata

Elicottero antivento, seconda puntata

L'elicottero compensa la forza di gravità solo sull'asse y verticale. Ergo lo spostamento della massa d'aria parallelo al piano xz non influisce sull'elicottero che si comporta approssimativamente come nel vuoto (quindi come in caduta libera sull'asse x con accelerazione pari a quella del treno e non a quella di gravità), quindi va indietro. Se invece avesse delle altre pale che ruotano sul piano yz, sprigionanti due forze opposte lungo l'asse x su cui accelera il treno, allora si comporterebbe come un palloncino e accelererebbe in avanti come il treno (se non di più, dipende dall'accelerazione), quindi per l'osservatore nel treno rimarrebbe fermo o andrebbe avanti, ma solo appunto con queste pale accessorie, altrimenti la risposta rimane la prima.

Ultimo socio della ditta elicotteri antivento. Il dividendo si assottiglia