#24-Le parole nella storia

"Behavioral modernity (Il grande balzo avanti): la parola è il motore della rivoluzione cognitiva che ci ha contraddistinti rispetto agli altri esseri viventi"

Grazie agli strumenti moderni (Google Ngram) è possibile scavare a fondo nella storia delle parole. Andiamo allora ad investigare su varie parole relativa al nostro oggetto.

• Vediamo subito la frequenza di utilizzo del nome del nostro oggetto in diverse lingue:                    (purtroppo Ngram non ci permette dii visualizzare sullo stesso grafico diverse lingue)                                    I 3 grafici presentano tutti un primo picco intorno al 1875 poco dopo l'invenzione del radiometro di Crookes ma vediamo le differenze.
  
  In ambito anglosassone abbiamo un secondo picco di utilizzo attorno al 1965, periodo che vede molto fermento in campo aereospaziale e metereologico
  
  
  In Italia dopo i primi studi e pubblicazioni riguardo al radiometro di Crookes la frequenza d'utilizzo è drasticamente scesa per non risalire quasi più.
  
  
  In Francia al primo picco è seguita una risalita intorno agli anni 1985
• confrontiamo ora tre parole importanti nell'ambito delle misurazioni della luce in italiano e inglese
  
  Radiometer,spectrum,radiant: attorno al 1970 c'è un picco di tutte e tre le parole dovuto all'invenzione del radiometro di Crookes poi gli studi riguardo lo spettro si sono fatti più significativi rispetto al radiometro e alla luce radiante.
  
  
  Radiometro, spettro, radiante; anche qua c'è un picco intorno al 1870 dovuto alla scoperta del radiometro di Crookes e poi una netta prevalenza del termine spettro sui cui si sono cooncentrati gli studi delle maggiori menti del 900'.
• Il radiometro sfrutta il concetto di tubo a vuoto per funzionare e i loro studi corrono quasi paralleli nel tempo con la differenze che i tubi a vuoto hanno avuto un andamento più costante e non a picchi.
  
  
  
• Il radiometro in modo inconsapevolmente all'inizio è governato dalle leggi dell'elettromagnetismo e infatti notiamo come negli anni della scoperta del radiometro la parola elettromagnetismo era ancora pochissimo usata, prendendo avvento qualche anno dopo
  
  
   

#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.
  

#19-L'abbecedario

Ogni lettera ha qualcosa da dire!

R come Radiometro
elenco completo abbecedario anni 50'

• A: aria; Dentro alla campana di vetro del radiometro di Crookes viene rimossa l’aria.
• B: Boltzmann ; Ludwig Eduard Boltzmann è stato un fisico, matematico e filosofo austriaco. È stato uno dei più grandi fisici teorici di tutti i tempi.
• C: Crookes; Inventore del radiometro.
• D: documentazione; Per fare in modo che la cultura si tramandi c’è sempre bisogno di molta documentazione
• E: energia; Attraverso il radiometro si è spesso cercato di produrre energia sfruttabile.
• F: frequenze; La frequenza corrisponde al numero di eventi che si ripetono nell'unità di tempo, è quindi l'inverso del periodo T che misura la durata di un evento. Il concetto di frequenza è fondamentale per definire lo spettro elettromagnetico. Usiamo il concetto di frequenza anche per aspetti quotidiani della gestione del tempo e degli impegni
• G: gradi; Unità di misura per studiare la rotazione delle palette
• H: Hertz; Heinrich Rudolf Hertz è stato un fisico tedesco. Per primo dimostrò sperimentalmente l'esistenza delle onde elettromagnetiche previste teoricamente da James Clerk Maxwell. A lui è stata anche dedicata l’unità di misura della frequenza [Hertz]
• I: irraggiamento; Trasferimento di energia tra due corpi per mezzo di onde elettromagnetiche.
• L: luce; Fondamentale per il funzionamento del radiometro;
• M: magnetismo; Fenomeni relativi alle forze che si stabiliscono fra materiali magnetici e circuiti percorsi da correnti elettriche. All’interno delle versioni commerciali del radiometro di Crokes sono inseriti dei magneti per facilitare il movimento
• N: nero; Il contrasto tra le palette colorate di bianco e quelle colorate di nero permettono il movimento delle palette del radiometro
• O: onda; Tutto è sia onda che particella!  A partire dalle onde del mare fino alle radiazioni elettromagnetiche indispensabili per funzionamento del Radiometro
• P: palette; Nel Radiometro di Crookes ne sono montate 4. La “luce” colpendo le palette le mette in moto
• Q: quanto; Non per indicare “quanto” è bello il radiometro! Il quanto in fisica è un termine usato per indicare la quantità indivisibile, il valore più piccolo fisicamente possibile di una data grandezza variabile con discontinuità
• R: rotazione: Effetto visibile nel Radiometro di Crookes.
• S: spettro: L'insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica compongono lo spettro ellettromagnetico.
• T: temperatura; I radiometri moderni (soprattutto quelli metereologici-spaziali) sono in grado di rilevare la temperatura attraverso le onde elettromagnetiche.
• U: Uk; patria nativa di Crookes e del radiometro. Nazione molto attiva nello studio dell’elettromagnetismo 
• V: vuoto; condizione creata all’interno della campana del radiometro di Crookes sottraendo aria in pressione
• Z: zoom; I nuovi satelliti riescono ad ottenere immagini molto dettagliate tramite le onde elettromagnetiche

#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). 

#05-Il principio fisico oggi

How does it work?

Oggi il radiometro digitale basa il suo funzionamento sulle leggi dell'emissione termico-elettromagnetica dei corpi grigi e le due leggi da essa derivanti ovvero la legge di Wien e la legge di Stefan-Boltzmann. Qualunque corpo al di sopra dello zero assoluto (0 K), quindi tutti, emette radiazione elettromagnetica la cui intensità è funzione della temperatura del corpo. In particolare la temperatura di un corpo è direttamente connessa alla potenza elettromagnetica emessa secondo la legge di Stefan-Boltzmann, per cui misurando il flusso di energia ricevuto nell'unità di tempo da una porzione di superficie, o anche la forma esatta dell'intero spettro elettromagnetico emesso, è possibile risalire alla temperatura della porzione di superficie d'interesse.

#05-Il principio fisico ieri

How did it work?

Quando il radiometro viene illuminato da luce solare o da una qualsiasi fonte luminosa “calda” (es. luce ad incandescenza), il mulinello posto all’interno del bulbo di vetro si mette in movimento. Si muove tanto più rapidamente quanto maggiore è l’intensità della luce. Se il mulinello viene illuminato da una luce “fredda” (es. tubi al neon) le pale non ruotano.

Il radiometro di Crookes offre un'occasione didatticamente interessante per discutere di come diverse teorie si siano susseguite per spiegarne il funzionamento. Si parte dalla teoria elettromagnetica per arrivare alla teoria cinetica dei gas. 

1. La pressione della radiazione: Crookes sostenne che le pale venissero mosse dalla “pressione della luce” (prevista da Maxwell) per la quale, la luce, colpendo una superficie esercita su di essa una pressione. Però le pale si muovevano come spinte dalla faccia scura, mentre ci si aspettava che la spinta fosse maggiore sul lato chiaro perché maggiormente riflettenti.
2. Moto molecolare: La spiegazione che coinvolgeva la teoria cinetica dei gas fu proposta da Stoney: il lato più scuro delle pale subirebbe un riscaldamento a causa del maggiore assorbimento della radiazione infrarossa. Il gas nelle vicinanze dei lati scuri incrementerebbe la propria agitazione termica esercitando una forza sulle pale. Maxwell, analizzando tale teoria, sostenne che l'espansione dei gas dovuta al riscaldamento non era sufficiente a spingere le pale. 
3. Evaporazione di molecole dalla superficie scura: per reazione la pala verrebbe spinta dalla parte opposta. L'evaporazione è reale, ma non è questa la spiegazione corretta, infatti aumentando il vuoto dovrebbe aumentare l'effetto, invece avviene che la rotazione cessa con un vuoto più spinto. Questo permise di capire l'importanza del gas rarefatto presente all'interno del radiometro. 
4. Scorrimento termico: la spiegazione attualmente accreditata fu proposta nel 1879 da Reynolds. Essa si basa sull'analisi del comportamento di un gas rarefatto e della sua interazione con il bordo delle pale. Si verifica uno “scorrimento termico” del gas ai bordi delle pale che causa una forza diretta dalla superficie più calda a quella più fredda. Maxwell elaborò una trattazione matematica, che viene tuttora considerata la spiegazione definitiva del fenomeno, basandosi sul suggerimento di Reynolds. L'energia cinetica media di una molecola aumenta con l’aumentare della temperatura. Quando le molecole di gas colpiscono i lati neri delle alette rimbalzano fuori con velocità più grande di quando colpiscono i lati bianchi. A causa della differenza fra la quantità di moto depositata dalle molecole dal lato nero e bianco di ogni aletta, è generata una forza spingente perpendicolare e concorde alle palette. L'effetto radiometrico non compare a pressione molto bassa (è necessaria una quantità sufficiente di molecole) o a pressioni troppo alte (per esempio pressione atmosferica). Questo avviene perché ad una pressione più alta le molecole che urtano contro il lato 'caldo' di un'aletta perdono una parte della loro energia (e della quantità di moto) quando si scontrano con le molecole 'più fredde' e conseguentemente la forza spingente è più debole. 

Fonti:

• http://www.divertiscienza.it/schede/radiometro-solare#:~:text=Quando%20il%20radiometro%20viene%20illuminato,neon)%20le%20pale%20non%20ruotano.
  
• http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/zabawki1/files/termo/crooks_big-it.html
  
• http://www.liceomonti.it/images/SEZIONE%20FISICA/SCHEDE%20PDF/RADIOMETRO%20DI%20CROOKES.pdf