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LAB2GO Scienza

Tubo di Newton o Guinea and Feather Tube

Il tubo serve per mostrare che in un ambiente con aria molto rarefatta gli oggetti cadono con la stessa accelerazione indipendentemente dalla loro massa e dalla loro forma.
È curioso che nei Paesi anglofoni lo si chiami tubo con ghinea e piuma; la ghinea d'oro era una moneta equivalente alla sterlina (vedi la figura seguente).

Il tubo di vetro nelle foto, chiuso alla sommità e con alla base un condotto con rubinetto da cui aspirare l'aria, è lungo 0,98 m e ha un diametro di 9 cm. Tutto il tubo, compresa la base è lungo 110,5 cm.

Con una buona pompa aspirante si ottiene una rarefazione dell'aria sufficiente ad attenuare sensibilmente la sua resistenza alla caduta dei corpi posti al suo interno.
Essi sono: una pietruzza, una pallina di piombo, un cilindretto di gomma rossa, un turacciolino di sughero, alcuni coriandoli di carta di quaderno e una piuma larga e corta.
All'inizio della dimostrazione si fanno scorrere gli oggetti verso la parte alta e poi, rapidamente, si mette il tubo in posizione verticale.
I primi a cadere sono: la pallina di piombo e la pietruzza, seguono subito dietro il cilindretto di gomma rossa e il turacciolino di sughero, poi scendono i coriandoli e, per ultima, la piuma pigra e lenta. Si fa dunque osservare che la presenza dell'aria influenza la rapidità di caduta degli oggetti in ragione della loro forma. La loro accelerazione si trova secondo la teoria di Newton con la formula:
a = (P - F) / m,
dove P è il peso, F è la resistenza dell'aria ed m è la massa. Si toglie dunque l'aria quanto basta dal tubo, poi si chiude il rubinetto e si ripete l'operazione di caduta.
La meraviglia è vedere la piuma e i coriandoli che cadono insieme agli altri oggetti.
Nei limiti della validità dell'osservazione qualitativa, se ne deduce che la rapidità di caduta nel vuoto non dipende né dal peso, né dalla forma, né dal tipo di materiale di cui sono fatti i corpi. La loro accelerazione g dunque è la stessa ed è di circa 9,80 m/s².
L'esperienza comune suggerisce che una foglia cade più lentamente di una pietra.
Ma si può anche osservare che se si lascia cadere dalla stessa altezza un foglio di carta disteso e poi lo stesso foglio appallottolato, il foglio disteso impiega più tempo nel cadere di quando è appallottolato.
Aristotele (384-322 a.C.) era convinto che le rapidità di caduta di un oggetto dipendeva dal suo peso; egli infatti attribuiva la causa del peso alla presenza in esso dell'elemento Terra, quindi un oggetto più pesante conteneva una maggior quantità di questo elemento e avrebbe raggiunto con maggior velocità il suo luogo naturale, cioè le Terra.
Aveva inoltre osservato che uno stesso oggetto cade più lentamente nell'acqua che nell'aria.
La sua conclusione erronea fu che la rapidità di caduta era proporzionale al peso e inversamente proporzionale alla resistenza del mezzo attraversato.
Non sembra che Aristotele abbia tenuto conto della forma degli oggetti.
Il filosofo Giovanni Filopono di Alessandria (490-570 d. C.) pare abbia fatto il seguente esperimento: dopo aver fatto cadere dalla stessa altezza contemporaneamente due oggetti, uno pesante il doppio dell'altro, osservò che il primo non aveva impiegato la metà del tempo impiegato dal secondo, come richiesto dalla teoria di Aristotele. Inoltre da altri suoi studi sul moto degli oggetti lanciati in aria dedusse, sebbene confusamente, che la loro velocità dipendeva dalla differenza tra il loro peso e la resistenza dell'aria e sviluppò una sorta di teoria dell’impetus.
Galileo Galilei (1564-1642) nel 1638 scrisse: “Discorsi e Dimostrazioni Matematiche intorno a due nuove scienze Attenenti alla Meccanica e i Movimenti Locali” e in questa opera è ben descritto un esperimento che si crede fosse stato da lui eseguito dalla Torre di Pisa, ma che quasi certamente è un “esperimento ideale”.
Dunque Galileo aveva ben compreso l'importanza delle forma che determina la resistenza dell'aria e dell'ininfluenza del peso e infatti scrive: “Ma io, Sig. Simplicio, che m'ho fatto la prova, vi assicuro che una palla d'artiglieria, che pesi cento, dugento e anco più libbre, non anticiperà di un palmo solamente l'arrivo a terra della palla di moschetto, che ne pesi una mezza, venendo anco dall'altezza di dugento braccia”.
Certamente Isaac Newton (1642-1727) diede una spiegazione dinamica a tale fenomeno, inquadrata in una teoria ben più vasta e articolata, mentre quella di Galileo era puramente cinematica.
Galileo aveva studiato “come” si muovono i corpi, Newton indagò sulle forze e i loro effetti sui moti, fermandosi a sua volta dinanzi al perché le masse si attraggono.
L'opera di Newton: “Philosophiae Naturalis Pincipia Mathematica” fu pubblicata nel 1687.
Inoltre verso il 1650 Otto von Guericke inventò la pompa da vuoto, fu quindi possibile ottenere una rarefazione sufficiente per costruire una fattispecie del tubo di Newton. Pompa a vuoto che in seguito fu continuamente mutata e perfezionata, permettendo di ottenere migliori esperienze col Tubo di Newton.
Secondo la Teoria della Gravitazione Universale di Newton, due corpi di masse m ed M si attraggono con una forza
F = G ( m M ) / D²
dove D è la distanza tra i centri di massa dei due corpi e G è la costante di attrazione universale che vale 6,6720 10-11 N m²/kg² . Pertanto un corpo di massa m, immerso nel nostro caso nel campo gravitazionale terrestre, subisce una accelerazione g verso il centro della Terra
g = G M /D ²
dove M è la massa della Terra e D è la distanza tra il centro di massa del corpo m e il centro della Terra.
Nell’ambito della teoria di Newton quanto sopra affermato è valido se si trascurano la rotazione della Terra, l’effetto dell’aria sul corpo e una eventuale anomalia locale gravitazionale.

Immagine elaborata da F.P.

Una curiosità: nella prima foto si vede anche un “martello ad acqua”. Nei testi scolastici attuali si parla ormai solo del tubo di Newton perciò è bene far notare che il martello ad acqua ne costituisce una variante per i liquidi.

fisica/strumenti/tubo_di_netwon.txt · Ultima modifica: 2023/12/04 23:10 da fabio.panfili