L'arte dello strumeto-Pulse

Le vibrazioni e lo spazio!

Scienze, sistemica, musicologia e fisiologia, sono gli argomenti che tratta il giovane artista francese Pierre-Laurent Cassière che si concentra innanzitutto sulle esperienze percettive associate al movimento e allo spazio. In esso luce, suono e campi vibratori sono tanti materiali plastici e concettuali che connettono il corpo al suo ambiente e giocano con i limiti del percepibile.

Nell'istallazione cinematografica del 2010 intitolata "Pulse", Cassière accosta vari oggetti: un Radiometro di Crookes, una lampadina,  un laser, un amplificatore, dei trasduttori a bassa frequenza che a seconda del contesto espositivo, possono essere presentati a pavimento, a parete o appesi.. La descrizione dell'opera giunge dallo stesso autore: "Il fragile e silenzioso movimento rotatorio di un radiometro di Crookes produce potenti vibrazioni attraverso l'architettura. L'installazione si basa sul principio del suono ottico del cinema e produce pulsazioni fisiche che scuotono le pareti della sala espositiva, in sincronia con la velocità del radiometro." 

Sito con video e foto complete.

#26-La chimica e gli strumenti scientifici

"La chimica è l'arte di separare, pesare e distinguere: sono tre esercizi utili anche a chi si accinge a descrivere fatti o a dare corpo alla propria fantasia."

-Primo Levi

Come consiglia Levi ci siamo serviti dell'arte della chimica per separare, pesare e distinguere i vari aspetti del nostro radiometro riuscendo così a "descrivere fatti o a dare corpo alla propria fantasia."          

Il radiometro di Crookes nasce dall'dea di Crookes, un chimico, e basa il suo funzionamento su aspetti principalmente chimici e fisici che abbiamo già descritto nei post precedenti (#05-Il principio fisico ieri, #05-Il principio fisico oggi, #22-Un manuale d'uso). Dopo aver visto tutte le teorie che si sono susseguite nel tempo, oggi approfondiamo l'ultima teoria (l'unica corretta) e il fenomeno ad essa associato: la TRASPIRAZIONE TERMICA (thermal transpiration)

La traspirazione termica si riferisce alla forza termica che si genera su un gas a causa di una differenza di temperatura. La traspirazione termica provoca un flusso di gas in assenza di qualsiasi differenza di pressione ed è in grado di mantenere una certa differenza di pressione chiamata differenza di pressione termomolecolare in uno stato stazionario. L'effetto è più forte quando il percorso libero medio delle molecole di gas è paragonabile alle dimensioni del contenitore del gas.

Questo fenomeno unito alla formazione di una zona di transizione all'interno della paletta (dovuta ai due colori) dove  né il flusso né la pressione si equalizzino completamente crea un flusso netto dal lato bianco al lato nero e una pressione netta sul lato nero che fa ruotare le alette.

#23-La normativa

"Se queste sono le regole del gioco, lo so giocare anche io"

-Giorgio Faletti

All'epoca della scoperta del radiometro di Crookes erano poche o nulle le normative internazionali in vigore ma erano già ben fissati certi canoni nazionali. Quando Crookes compie i suoi studi che lo portarono alla realizzazione del radiometro si affida a precise unità di misura (già trattate in parte nello step15-I numeri):

Libro di Crookes "the Radiometer, an instrument which revolves continuously under the influence of radiation" (Step10-I libri)

• Rosso-- La candela, simbolo cd, è l'unità di misura dell'intensità luminosa ed è una delle sette unità di misura base del Sistema Internazionale di unità di misura. Definita come l'intensità luminosa in una data direzione di una sorgente che emette radiazione monocromatica alla frequenza di 540×1012 Hz con intensità radiante in quella direzione di valore pari a 1/683 watt in uno steradiante. 
• Verde-- Per la misura delle lunghezze si affida al "Sistema imperiale Britannico" (o anche sistema di unità imperiali) ancora utilizzato oggi nei paesi anglosassoni (ad eccezione dell'Australia ormai convertita pienamente al SI). Le unità usate da crookes sono: l'Inch (pollice) che misura circa 2.5cm e il feet(il piede) che misura 30cm circa.
• Giallo-- Per le misure del tempo già all'epoca di Crookes (si pensa fin dal tempo dei babilonesi) si usava il sistema sessagesimale ancora in utilizzo oggi basato su Secondi, Ore, Giorni.
• Blu-- La misura della rotazione avviene attraverso l'utilizzo dei Gradi di rotazione. oggi si tende a preferire l'equivalente in radianti.

Ai giorni nostri assistiamo ad un continuo processo di normazione in numerosi ambiti. I radiometri moderni si attengono tutti a delle normative più o meno specifiche in base all'utilizzo finale; ne vedremo qualche modello:

• Misurazioni delle radiazioni ottiche: La normativa UNI EN 14255 è divisa in vari settori in base al tipo di radiazione da misurare.
  
  
  
• Misurazioni ROA (Radiazioni Ottiche Artificiali): L'Allegato XXXVII-Parte I del DLgs.81/2008 in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro stabilisce i valori limite delle radiazioni ottiche e gli strumenti per rilevare eventuali eccessi. I limiti sono riportati in complesse formule e gli strumenti individuati sono lo spettro radiometro e il radiometro a banda larga.

  

  
  
• Radiometro solare: questo tipo di radiometro studiato per la misura dell'irraggiamento globale è progettato per la misura secondo la normativa ISO 9060 e WMO N. 8 (Parte I, Capitolo 7).
• ISO 9060: Specifica e classificazione degli strumenti per la misura della radiazione solare emisferica e della radiazione solare diretta (radiante)
• WMO N. 8: Guida per gli strumenti metereologici e i metodi di osservazione (Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation).
  
  
  
• Radiometro digitale: vengono date delle normative per quanto riguarda la calibrazione: la normativa ISO 9847:1992 "Solar Energy Calibration of field pyranometers by comparison to a reference pyranometer".
  
  
  

#22-Un manuale d'uso

"Less is More"

Manuale d'uso con poche istruzioni ma tante informazioni: Lo strumento consiste di una piccola elica a 4 pale; ogni pala ha una superficie annerita e una bianchissima. Le 4 pale sono montate sui bracci di un leggero mulinello imperniato in modo da poter ruotare con minimo attrito, dentro un bulbo di vetro contenente aria a pressione molto ridotta.  Sono poche ed essenziali le istruzioni per l'uso: Esponendo l’apparecchio a sorgenti che emettono radiazioni “calde”, per es. il sole, una lampada a tungsteno o una fiamma, si osserva che la croce si mette a girare attorno al perno nel verso che si otterrebbe se sulle pareti scure vi fosse un eccesso di pressione rispetto alle pareti bianche. Si può verificare che la croce, a parità degli altri parametri, gira sempre più rapidamente al diminuire della pressione nel bulbo, fino a raggiungere un massimo che varia da gas a gas e, per l'aria, viene raggiunto a una pressione di alcuni decimi di millimetro di mercurio; la pressione per cui viene raggiunto il massimo della velocità di rotazione generalmente aumenta al diminuire della massa molare del gas. Per capire come questo accade vediamo le diverse teorie che si sono susseguite(ne abbiamo già parlato in altro modo negli step05: Il principio fisico ieri e Il principio fisico oggi):

• pressione di radiazione: fallisce poichè la pressione di radiazione è troppo debole per mettere in moto da sola il radiometro infatti le palette giravano nel verso opposto da quello previsto da questa teoria.
  
• Il "degasssamento": comporterebbe un riscaldamento della faccia scura e quindi un movimento nella corretta direzione ma fallisce poichè il radiometro funziona meglio sotto condizione di vuoto parziale (circa 10^-5atm) e smette di funzionare alla condizione di vuoto perfetto.

  

  
  
• Termodinamica:  passiamo ad esaminare le spiegazioni che si basano sulla termodinamica dei gas. Quando illuminiamo il radiometro, il lato nero delle alette diventa più caldo dei lati bianchi e si potrebbe pensare che i gas caldi hanno una pressione maggiore di quelli più freddi e indurre una rotazione ma questo fallisce perchè  non è detto che aumentando la Temperatura il numero di molecole "n" rimanga invariato nella relazione PV=nRT (con V,R costanti).

  

Sempre riguardo alla termodinamica si potrebbe presupporre che le particelle abbiano una velocita di ritorno (recoil=rinculo) diversa rispetto a quella dell'andata ma fallisce per il motivo precedente: avendo una maggiore velocità aumenterebbe gli urti e quindi diminuirebbe la densità e il numero di molecole "n".

• Scorrimentoo termico: l'ultima e funzionante idea è frutto di due tra le menti più brillanti del 900: Osborne Reynolds e Albert Einstein. La pressione del gas è un prodotto di due cose: quante molecole colpiscono la banderuola per unità di area e quanto duramente colpiscono. Il flusso del gas dipende solo da quante molecole stanno attraversando la banderuola per unità di area; non dipende da quanto duramente colpiscono. Quando guardiamo il gas vicino al centro della paletta, la pressione si equalizzerà, quindi avremo n 1 T 1 = n 2 T 2 . Ma quando guardiamo il gas lontano dalla paletta, non è la pressione che si equalizza, ma il flusso. Quindi avremo n1*sqrt(T1)= n2*sqrt (T2). Ai bordi della paletta, deve esserci una zona di transizione tra i due comportamenti distinti (la larghezza della regione di transizione è la lunghezza media del percorso libero). In questa regione di transizione, né il flusso né la pressione si equalizzino completamente e quindi c'è un flusso netto dal lato bianco al lato nero e una pressione netta sul lato nero. Ciò fa ruotare le alette.
  

#20-Il marchio

"Se vuoi essere importante il marchio è fondamentale!"

Il marchio è un'elemento fondamentale per poter identificare la propria azienda o un prodotto in modo veloce e semplice. Con il passare degli anni il marchio ha iniziato ad assumere un ruolo sempre più rilevante; oggi moltissima gente è ossessionata dai marchi (Bio,DOCG ecc.) e dall'avere gli ultimi prodotti di alcuni marchi (brand). 

Vediamo alcuni marchi che hanno caratterizzato a storia del radiometro:

• L'etichetta apposta su uno dei primi radiometri prodotti dalla fabbrica Cossor (approfondimento Step09)

  

  Marchio di fabbrica Cossors

• In tempi più recenti (tra 1950/80) il marchio di fabbrica veniva apposto sotto la base.

  

  marchio apposto su un radiometro prodotto a New York

  
  

  

  marchio stampato su un radiometro della Windsor Electronics (approfondimenti step09)

• un altro tipo di marchio che distingueva i vari modelli durante la produzione in serie erano le scatole che avevano come tratto comune l'utilizzo di immagini riguardanti il sole  e i raggi solari.

  

  Scatola di un radiometro anni 50. Attraverso il buco nella scatola viene ricreato un sole 

  
  

  

  Scatola di un radiometro che ritrae una faccia all'interno di un sole e riporta la simpatica scritta:"Mr. sun at work"

• attenzione a non sbagliarsi. Oggi il marchio più famoso a nome "Radiometer" appartiene ad un'azienda che poco ha a che fare con il nostro originale Radiometro.

  

Marchio dell'azienda specializzata in diagnostica medica 

#17-I brevetti

Un'idea ma tanti brevetti!

Il primo brevetto delradiometro di Crookes venne depositato il 1876-09-12 negli Stati Uniti dallo stesso Crookes. Il brevetto illustra le componenti e il funzionamento dell'oggetto. Codice: US182172A (documento completo 4 pagine)

James Fank Martin partendo dall'idea di Crookes brevettò nel 1910 un apparato per misurare la luce. Codice: US1000831A (documento completo 4 pagine)

Nel 1932 venne brevettato un oggetto stano se messo in relazione con il radiometro di Crookes: un "diffusore di vapore" che utilizza un radiometro. Codice: US1948635A (documento completo 1 pag)

Nel corso del 900 molti scienziati hanno depositato brevetti che avevano come scopo la produzione di energia elettrica (o energia motrice) riutilizzabile dall'uomo

  1. US4410805A (documento completo 6 pagine) depositato da Lawrence F. Berley nel 1978(approvato 1983): "Radiometer generator", unisce i principi del radiometro, dell'otheoscopio (otheoscope) e delle macchine dinamo-elettriche per cercare di creare energia utilizzabile dall'energia della radiazione. 

  2. US4397150A (documento completo 3 pagine) depositato da Marc S. Paller nel 1980 (approvato nel 1983): "Power generating apparatus using radiant energy", cerca di ottimizzare la funzione delle palette montate sul rotore per produrre una quantità sufficiente di energia riutilizzabile dall'energia di radiazione 

  3. US4926037A (documento completo 4 pagine) depositato da Fernando R. Martin-Lopez nel 1988 (approvato nel 1990): " light weight motor energized by radiant energy", Lopez brevetta un motore leggero in grado di funzionare tramite l'energia emessa dalle radiazioni. 

I bevetti riguardanti il radiometro rilasciati dal 2000 ad oggi si concentrano in ambito areo-spaziale:

  1. Nel 2005 Marco Scandurra deposita due brevetti:

      I) US20060001569A1 (documento completo 17 pag): "Radiometric propulsion system", brevetta un sistema di propulsione molto efficiente per veicoli (volanti,galleggainti,stradali) che operano nell'atmosfera senza usare combustibile fossile.

       II) US20060000215A1 (documento completo 14 pagine): "Encapsulated radiometric engine", partendo dal brevetto precedente Scandurra studia un altro tipo di motore in collaborazione con lo scienziato Stanley Kremen. 

2. Nel 2009 viene brevettato da David Kirshman, David A. DeamerMaurice e P. Bianchi un dispositivo per controllare i movimenti dei satelliti tramite l'impiego di energia proveniente dalle radiazioni.  US8596572B1 (documento completo 6 pag). 

#16-Anatomie

"I dettagli fanno la perfezione e la perfezione non è un dettaglio."

-Leonardo Davinci

Mettiamo i pezzi al proprio posto!

• Radiometro di Crookes:        iniziamo con un esploso disegnato (fonte immagine)

continuiamo con una vista più dettagliata (fonte immagine)

c'è chi si concentra solo su alcuni dettagli: il rotore! (fonte immagine)

togliamo la campana di vetro ed entriamo nello strumento! (fonte immagine)

• Radiometri digitali con sensori:

esploso di un "radiometro Net" (fonte immagine)

esploso di un "radiometro solare" (fonte immagine)

i radiometri possono volare nello spazio!

esploso di un radiometro montato su una spedizione spaziale  (fonte immagine)

ormai per comprenderne il funzionamento (spesso elettronico) si ricorre ai diagrammi, l'equivalente per l'elettronica degli esplosi per la meccanica (fonte immagine)

#08-I materiali

"Siamo fatti della stessa materia di cui sono fatti i sogni."

-W.Shakespeare

Per costruire uno strumento affascinante come il radiometro di Crookes sono necessarie poche e semplici componenti:

• base: è la sede in cui viene innestato il rotore e sorregge l’ampolla di vetro. Negli anni è stata realizzata in svariati materiali (prima legno o vetro, ora principalmente plastica)
• rotore: è il componente che permette la rotazione. Alla sua estremità sono fissate delle palette (solitamente 4) dipinte su una faccia di nero e l’altra bianca ( o lucida). Tutto il componente è realizzato con metallo leggero per facilitarne la rotazione
• ampolla di vetro: da cui l'aria è stata in gran parte rimossa, per formare un vuoto parziale. L’ampolla dal suo concepimento fino ad oggi è sempre stata realizzata in vetro poiché è un materiale che regge alle basse pressioni ed è trasparente (cosa molto importante per osservare la rotazione delle palette). Il vetro nel corso della storia è un materiale che è stato adottato per moltissime applicazioni in diverse composizioni chimiche. Il vetro è principalmente utilizzato per oggetti di uso quotidiano funzionale (bicchieri, bottiglie, barattoli)  o oggetti decorativi (vasi, specchi). La scienza fin da subito ne ha compreso le sue potenzialità e lo ha utilizzato in moltissimi dei suoi strumenti (beute, cannocchiale, microscopio).

                               

Il radiometro moderno è composto prevalentemente da:

• sensori: composti da una termopila a 64 elementi, producono corrente elettrica in risposta all'intensità della sollecitazione, restituendo così il valore del parametro rilevato. Una particolare attenzione ai dettagli costruttivi ( l'uso di un contenitore ermetico con doppia cupola di vetro, la presenza di sali igroscopici per mantenere all'interno l'aria secca e salubre e il montaggio di uno schermo bianco per proteggere il sensore dall'usura provocata dalla radiazione) permette di ottimizzare le condizioni di misurazione.

#03-Il glossario

Sapere di cosa si parla è importante!

Il radiometro è un dispositivo utilizzato in radiometria per misurare il flusso della radiazione elettromagnetica, oggi viene prodotto in diverse varianti:

• radiometro di Crookes; risultato degli studi del chimico William Crookes nel 1873. Viene prodotto e commercializzato ancora oggi (ormai come oggetto di arredamento)
• radiometro digitale; successori del progetto di Crooks, ne utilizzano il principio fisico implementandolo su tutto lo spettro elettromagnetico.

Sezioniamo gli strumenti per scoprire le componenti più da vicino:

• Radiometro di Crooks:
• BULBO DI VETRO da cui l'aria è stata in gran parte rimossa, per formare un vuoto parziale. 
• ROTORE  situato all'interno del bulbo su una sede a basso attrito. Serve a facilitare il moto rotatorio  
• PIASTRINE di metallo leggero poste in verticale (solitamente 4). Le piastrine sono lucidate a specchio o dipinte di bianco su un lato, e nere sull'altro.
• SUPPORTO è la base su cui poggia il bulbo di vetro. Nei primi modelli era realizzato in legno ma successivamente con l'avvento della plastica sono stati realizzati di diverse forme e colori.
• Radiometro Digitale: 
• SENSORE per compiere la rilevazione sono indispensabili uno o più sensori in base alla precisione e alla porzione di spettro elettromagnetico da prendere in considerazione.
• PROCESSORE elabora le informazione ricevute dal sensore e le trasforma in un output comprensibile all'uomo.
• DISPLAY dove viene mostrato l'output (valori) della rilevazione compiuta.