lunedì 10 dicembre 2012

Esperimenti con il suono:gli ombrelli degli agenti segreti


Dopo il parziale fallimento dell'esperimento della cucina solare in miniatura mi sono ingegnato nel cercare di capirci qualcosa di più su parabole, fuochi, riflessione. Non essendo stato un buon studente di fisica mi sono dovuto rimettere a studiare e, su di un vecchissimo libro di esperimenti scientifici ho trovato una cosa che, oltre ad essermi utile, mi ha permesso di organizzare un gioco scientifico con i ragazzi del campo estivo. Ho intitolato questa sfida scientifica: gli ombrelli degli agenti segreti.


Ma prima dobbiamo iniziare con un po' di teoria.
La teoria ci dice, e la pratica ci conferma, che le parabole(la forma della parabola, quindi le parabole che stanno sui tetti, gli ombrelli - che sono parabole - , le cucine solari - anch'esse a forma di parabola - ) raccolgono le onde che le colpiscono(siano esse onde sonore, raggi solari, onde elettromagnetiche) e le concentrano in un punto preciso chiamato «fuoco». Quando abbiamo fatto l'esperienza delle cucine solari in miniatura, io non sono stato in grado di calcolare dove era questo punto e le cucine non hanno funzionato perfettamente.  E' anche vero che se in questo punto viene creato, ad esempio, un rumore, la parabola riflette questo suono in maniera molto efficiente, facendolo viaggiare per raggi paralleli, cioè non disperdendolo a casaccio nell'ambiente. Quindi(e qui sta il bello dell'esperimento), se metto 2 ombrelli uno di fronte all'altro, in maniera che siano stabili, producendo un debole rumore nel fuoco del primo ombrello, lo percepirò nel secondo ombrello anche a grande distanza. Per trasmettere il suono i due  ombrelli perciò si avvalgono della loro forma parabolica. Il paraboloide fa così raccogliendo le onde sonore e riflettendole verso paraboloide opposto. L'altro ombrello è anch'esso un paraboloide,  prende le onde sonore e le dirige al suo punto focale dove l'orecchio dell'ascoltatore può sentirle.







Altre informazioni
E' grazie a queste proprietà che i paraboloidi vengono usati in applicazioni tecniche quali le parabole satellitari(concentrano i segnali provenienti dallo spazio, sono onde magnetiche), le cucine solari(concentrano i raggi calorifici provenienti dal sole) e i microfoni delle spie...
La parabola infatti offre un ottimo sistema per amplificare i suoni  che arrivano da una particolare posizione e, allo stesso tempo, abbassare il livello degli altri suoni presenti nell'ambiente. Nel microfono d'ascolto che si basa sulla  parabola, infatti, tutte le onde sonore parallele al suo asse vengono riflesse nel  fuoco. In questo punto, in questi tipi di microfoni d'ascolto , viene montato un piccolo microfono  che è in grado di ricevere tutta l'energia che colpisce il piatto della parabola.Se il piatto è di 50 cm di diametro la superficie che riceve le onde sonore è  5000 volte più grande di quella del microfono da solo. Così, anche la quantità di energia sonora che colpisce il microfono viene aumentata di 5000 volte e per di più saranno ricevuti solo i suoni che interessano. Anche i fari delle automobili ed i proiettori  utilizzano lo stesso principio. Magia delle parabole.

Operatività.
Per organizzare questa sfida mi sono procurato:
- 2 ombrelli belli curvi
- 2 pezzi di canalina da elettricista diametro 16 mm(lunghezza 120 CM cad.)
- 2 pezzi di canalina da elettricista diametro 16 mm(lunghezza 20 CM cad.)
- 2 giunti per canalina da 16 mm
- 2 assicelle di legno 40 x 10 x 3 CM
- 2 pesi per bilanciere(rotondi) da 10 KG l'uno
- fascette da elettricista
-  forbici
- trapano con punta da 5 mm
- 2 sostegni per doccia da muro
- 2 pezzi di legno, cilindrico, diametro 15 mm, lunghi 3 CM
- una lima per legno
- 2 viti per legno, lunghe 3 CM
- cacciavite
- una punta Fresner o una sega a tazza di diametro 16 mm
- colla universale

Questo è il procedimento che ho seguito: ho lavorato i due pezzi di legno cilindrico fino a che non sono riuscito ad incastrarli all'interno delle due canaline da 16 mm da 120 CM, poi ho avvitato i due sostegni da doccia dentro ai due pezzi di legno. Ho tagliato a metà i due giunti da 16 mm e li ho incastrati nei buchi dei due bilancieri, poi gli ho incastrato dentro le due canaline. Infine ho preparato le due tavolette, forandole al centro con la sega a tazza e praticando due file di buchi paralleli sui lati ( 3 per lato). L'ultima operazione è stata quella di incollare i due pezzi di canalina lunghi 20 CM all'interno dei buchi praticati nelle tavolette. In questa maniera ho realizzato un sistema ombrelli - sostegni smontabile e trasportabile.




Una volta arrivato al campo estivo ho montato gli ombrelli sulle tavolette(gli ombrelli vanno montati aperti, fissandoli con le fascette da elettricista), poi ho incastrato le tavolette nei sostegni da doccia ed ho cominciato la lezione spiegando i principi che caratterizzano  le parabole(quelli che ho riportato qui sopra). Ho diviso i ragazzi in 2 squadre e ho iniziato l'esperimento facendo sussurrare da un ragazzo una frase nel fuoco del primo ombrello e facendolo udire al compagno che teneva l'orecchio sul fuoco del secondo ombrello. Una volta che sono stato certo che tutti avessero compreso bene il meccanismo d'insegnamento è scattata la sfida.



Gli ombrelli sono stati portati all'esterno e la prima squadra è stata messa all'opera; la storia, brevemente è questa: due agenti segreti devono comunicare a distanza, senza che nessuno senta le loro parole, hanno a disposizione solo due ombrelli(e relativi sostegni), riusciranno nella loro impresa? La discriminante, in questo caso, era la distanza di trasmissione, ovvero la squadra che riusciva a trasmettere più lontano il messaggio assegnato avrebbe vinto. Quindi ci siamo procurati un metro, abbiamo deciso chi avrebbe parlato e chi ascoltato e la prima squadra ha iniziato le sue prove per capire a quale distanza riusciva a trasmettere, tempo massimo 30 min; dopo 30 min sarei arrivato io con due messaggi ufficiali da trasmettere, uno facile ed uno difficile, e alla distanza stabilita dalla squadra, sarebbe iniziata la sfida.




I messaggi che ho preparato per la trasmissione erano due veri messaggi da agenti segreti, in particolare erano le due parti della poesia utilizzata nella seconda guerra mondiale per comunicare, via radio,  ai partigiani francesi l'inizio dello sbarco in Normandia.

I risultati sono stati notevoli: la squadra che ha vinto è riuscita a trasmettere il messaggio alla distanza di 15 metri, la seconda classificata a 12. Considerate che nessuno dei presenti, tranne l'agente che leggeva e quello che ascoltava, è riuscito a sentire il messaggio(io stesso ero a 4 passi da chi leggeva ma ho udito solo un bisbiglio), mentre chi era con l'orecchio sul fuoco dell'ombrello ricevente è riuscito a ripetere questi due messaggi:

- I lunghi singhiozzi dei violini d'autunno.... (Messaggio della squadra 1)

- ...Feriscono il mio cuore con un monotono languore. (Messaggio della squadra 2).


Qui sotto trovate una versione semplificata fatta con 4 pezzi di canalina che sostengono gli ombrelli appoggiati a terra:funziona bene fino a distanze di 5 metri.




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