Alla scoperta del Radiometro: numeri

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mercoledì 25 novembre 2020

#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".

mercoledì 4 novembre 2020

#15-i numeri

"Se torturi i numeri abbastanza a lungo, confesseranno qualsiasi cosa"

-Gregg Easterbrook

"Torturiamo" i numeri del radiometro:

4: Numero di palette solitamente inserite all’interno. Era considerato il numero perfetto secondo i maya e nel Medioevo veniva considerato un numero perno e risolutore: quattro sono, infatti, i punti cardinali, i venti principali, le stagioni, le fasi lunari, le arti liberali del quadrivio, i lati del quadrato. In Giappone (e altre nazioni dell'Asia orientale) il numero è considerato sfortunato: ciò deriva dal fatto che si può pronunciare sia yon che shi, quest'ultimo con pronuncia foneticamente simile all'ideogramma 死, che rappresenta la morte.
16: Ogni anno il 16 di Maggio viene festeggiato l’International Day of Light
Diversi numeri per diversi studi. Nel libro "the Radiometer, an instrument which revolves continuously under the influence of radiation" Crookes utilizza diversi sistemi di numerazioni in base all'esperimento condotto:

Scala 0-100: Crookes fissa a 100 il valore massimo raggiunto durante ogni esperimento nei diversi campi e assegna un valore decrescente per caratteristiche peggiori.
Il primo esperimento che conduce misura la "forza della radiazione" a varie lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico
Nel secondo esperimento studia l'influenza che possono avere i colori e i materiali delle palette sulla rotazione
E' l'ultimo esperimento che conduce nel suo libro e, ponendo dei materiali o colori come schermo al raggio incidente, studia che effetto producono sulla rotazione.
Scala dei gradi (radianti): per studiare fenomeni di rotazione è molto conveniente usare come unita di misura i gradi o ancora più correttamente i radianti (che si avvalgono di uno "strumento potentissimo" come il Pi greco)
Aumentando la distanza della fonte luminosa, Crookes osserva di quanti gradi riescono a ruotare le palette.
Scala temporale: Il tempo è stato oggetto di dibattito fin dall'antichità e ancora di più la misura di esso. Oggi la nostra vita, la fisica e molti altri aspetti sono regolati dal tempo e dagli strani numeri collegati ad esso. I numeri rimangono gli stessi ma si complicano poichè il tempo segue un sistema misto: sessagesimale fino alle ore invece per i giorni servono 24 ore e per gli anni 365 giorni. Tutto questo potrebbe sembrare strano ma funziona molto bene!!
Misura il tempo che ci mette il rotore a compiere una rivoluzione stimolando le palette con "luci di colori diversi" (a diverse lunghezze d'onda)

lunedì 19 ottobre 2020

#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.

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.
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.
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.
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: