giovedì 27 ottobre 2011

Effetto stroboscopico 2 (il ritorno)

Il post è stato aggiornato dopo la pubblicazione

Nel post precedente mi lagnavo di non avere uno strumento per misurare la frequenza di rotazione della ruota della bicicletta, per capire quando avveniva l'effetto strobo di ruota ferma sotto la luce impulsata della lampada al neon. In realtà lo strumento ce l'ho: è il tachimetro montato sulla bici. 

Prima operazione: installarlo sulla ruota posteriore, eh già, quella che gira.

Seconda operazione: imbrogliarlo perchè indichi la frequenza pensando di indicare una velocità. Per questo bisogna impostare la lunghezza della circonferenza della ruota in modo che 1 giro al secondo faccia apparire sul display l'indicazione 1 (km/h): la lunghezza deve essere 278 mm. 

Avevo già fatto qualche calcolo, quando ancora non avevo il mio potente strumento a disposizione.
Nella nostra prova le strisce di carta sono distanti circa 7 cm l'una dall'altra e la lampada lampeggia 50 volte al secondo (no, abbiamo misurato che lampeggia 100 volte al secondo: il ragionamento non cambia ma i numeri sì, vedi Oops, la ruota strobo rivista e corretta). Quando la ruota appare ferma una striscia va al posto dell'altra in 1/50 sec, quindi si muove con una velocità di (0,07 / 1/50) m/s: 3.5 m/s. La circonferenza della ruota è circa 2 m, quindi a quella velocità fa circa 1,75 giri al secondo. Usando il mio tachi/frequenzimetro ho trovato che effettivamente l'effetto strobo si vede all'incirca a quella frequenza, e poi a frequenza doppia e poi tripla. 
Sì, sembra strano anche a me che la faccenda funzioni, un po' come se Wile Coyote utilizzasse con successo uno dei prodotti ACME (vedi The ORIGINAL Illustrated Catalog Of ACME Products).


Salendo sulla salita in cui ho notato l'effetto uso un rapporto corto: la corona più piccola, da 24 denti, e il pignone da 22 denti. Facendo un po' di calcoli per la mia bicicletta e la distanza dei tasselli dei copertoni ho ricavato che l'effetto avviene per una frequenza di pedalata di circa 0,5 Hz, cioè 30 pedalate al minuto. 

La frequenza di pedalata normale per noi comuni mortali, non per i ciclisti professionisti, va da 60 a 80 pedalate al minuto, quindi da 1 a 1,3 Hz (mi pare di aver capito che è anche quella più efficiente).  I vari rapporti del cambio della bicicletta sono concepiti in modo che la frequenza di pedalata rimanga abbastanza costante nelle varie condizioni della strada e dell'ambiente ma in salita-salita la mia frequenza di pedalata si abbassa davvero tanto!   

venerdì 21 ottobre 2011

Andare in salita con la ruota che sembra ferma

Il post è stato modificato dopo la pubblicazione

Uso la bicicletta per andare dalla stazione a casa e dato che abito in collina mi tocca affrontare una serie di salitelle. L'ultima è abbastanza impegnativa, metto un rapporto corto e salgo lentamente. Un paio di giorni fa ho fatto un po' più tardi del solito e sono salito che era già buio. Affronto l'ultima salita e non è che guardi il paesaggio, fisso la strada davanti a me, e vedo la ruota anteriore: a un certo punto distinguo abbastanza chiaramente i tasselli del copertone, che è da mountain bike, come se la ruota fosse ferma. Uhm, ferma?! mumble mumble. Mi ricorda i piatti dei giradischi (do you remember giradischi?): sul bordo c'era una specie di scacchiera che veniva illuminata da una lucina lampeggiante e che faceva da riferimento per regolare con precisione la velocità di rotazione del piatto. 

C'è in ballo un effetto stroboscopico. La lucina lampeggiante del giradischi è stata sostituita dai lampioni stradali che evidentemente emettono luce impulsata, penso con la frequenza di 50 Hz della rete elettrica (mi sono accorto che il lampeggiare della luce è a 100 Hz, vedi il post Oops, la ruota strobo rivista e corretta). Lampi a 50 Hz non vengono percepiti come distinti dal sistema occhio-cervello, che percepisce un'illusione di continuità anche con i 25 fotogrammi al secondo delle riprese cinematografiche (e anche con i 18 fotogrammi al secondo delle riprese con il vecchio super 8). 
La ruota gira con una sua frequenza, la luce del lampione ha la sua. Quando le due frequenze sono uguali un lampo illumina un tassello nella posizione 1 e il successivo, lungo il copertone, nella posizione 2 e quello dopo nella posizione 3 - prima che scocchi il successivo lampo di luce, quindi la ruota non è illuminata e non vedo nulla, il tassello che era nella posizione 1 passa nella posizione 2 e quello che era al 2 passa al 3 e un nuovo tassello va alla 1 - dato che i tasselli sono uguali fra loro, il successivo lampo di luce mi mostra una situazione identica alla precedente e sembra che non ci sia stato movimento.   

Ho fatto qualche prova, insieme a Stefano e Francesco. Ho capovolto una bicicletta appoggiando sul pavimento il manubrio e il sellino, in una stanza illuminata solo da un paio di lampade al neon (le finestre sono chiuse e completamente oscurate). Ho messo un rapporto corto e girando i pedali ho visto lo stesso effetto stroboscopico. Allora ho incollato sul copertone striscie di nastro adesivo di carta a distanza regolare e maggiore della distanza fra i singoli tasselli e di nuovo ho girato i pedali. L'effetto strobo (di ruota ferma) c'è ancora, ma a frequenza superiore. Allora ho messo un rapporto più lungo: girando molto velocemente ho trovato l'effetto strobo, ho smesso di "pedalare" lasciando che la ruota rallentasse per conto suo. L'effetto è scomparso, per riapparire dopo un po', a frequenza minore, poi è di nuovo scomparso ed è riapparso ancora. Senza un misuratore di frequenza non so dire quali fossero le frequenze di pedalata, ma mi aspetto che siano multipli interi della frequenza base di 50 Hz. 


Ho fatto una prova anche con una lampada stroboscopica, di quelle che si usano per le feste e costano poco (non quelle da laboratorio). La frequenza della lampada si può regolare ma rimane comunque inferiore ai 50 Hz. L'effetto striscie ferme si vede, è netto, ma in qualche senso mi piace di più quello più "sporco" che si vede con la lampada al neon. 

Annotazioni pratiche. Nella stanza buia in cui abbiamo svolto le prove ci sono due lampade al neon, sul soffitto e vicine l'una all'altra. L'effetto si vede anche con entrambe accese, ma poi abbiamo spento una delle due pensando che se sono leggermente sfasate l'effetto è meno evidente. Non so dire se sia così, dobbiamo fare qualche prova più sistematica. 
La bicicletta ha un tachimetro: un magnete è montato su un raggio della ruota e una bobina fissata alla forcella invia impulsi elettrici alla centralina ad ogni passaggio del magnete. Quando si prepara il tachimetro bisogna digitare la circonferenza della ruota, così la centralina passa dalla frequenza alla velocità. Comunque non ci è stato utile perchè è montato sulla ruota anteriore, che ovviamente rimane ferma durante le nostre prove :-) Lo devo installare sulla ruota posteriore così potrò ricavare dalla velocità la frequenza di pedalata (peccato che non ci sia la possibilità di leggere direttamente la frequenza). 
Ho messo sulla ruota 28 strisce di nastro di carta, e la ruota ha 36 raggi. Dopo aver fatto girare velocemente la ruota e lasciandola rallentare si vedono due effetti strobo, uno per le strisce di carta e uno, a frequenza diversa, per i raggi. 
Mentre effettuavamo le riprese video ci siamo accorti che a volte vedevamo sul display un movimento un po' diverso da quello che vedevamo direttamente. E' che anche il display mostra le immagini con una certa frequenza e questo può generare a sua volta un effetto strobo quando si sovrappone a un fenomeno a sua volta periodico. Il mondo attorno a noi è pieno di ritmi, spesso interconnessi! 

L'effetto stroboscopico viene usato per costruire un tipo di zootropio o zoetropio: qui  c'è la voce di wikipedia italiana e qui quella inglese. Qui sotto c'è un esempio di zootropio che usa proprio un piatto di giradischi, e si vede la "scacchiera" utilizzata per la regolazione fine dei 33 e dei 45 giri al minuto. 


Due zootropi molto grandi: Sisyphish  azionato a pedali e Deeper , entrambi in azione durante un Burning man event  nel deserto del Nevada (ecco il sito per il 2011, si è già svolto). Ed ecco un esempio particolarmente divertente.  

venerdì 14 ottobre 2011

Effetto domino senza domino


Per caso ho trovato questo video  che mi ha rivelato l'esistenza dello stick bomb (ecco un altro esempio interessante http://youtu.be/zUFsPqiJttk). Per saperne di più ho trovato un ottimo tutorial: http://youtu.be/0lTmFXOkcOc - qui viene sconsigliato l'uso dei bastoncini del gelato a favore degli abbassalingua dei medici (li ho ordinati nella farmacia di fronte al museo, ci sono quelli non sterili a 6 centesimi l'uno - sì, erano un po' stupiti che ordinassi 200 abbassalingua così ho spiegato il loro uso ed erano piuttosto divertiti): sono più lunghi, leggermente meno spessi e più flessibili quindi è più facile maneggiarli e costruire la struttura. C'è un sito completamente dedicato alla (allo?) stick bomb  e, naturalmente, la voce Stick bomb su wikipedia.
Lo (la?) stick bomb mi sembra più praticabile delle reazioni a catena che usano le tessere del domino (p.es. http://youtu.be/qSn7JOYc6xc), soprattutto perchè richiede meno attenzione rispetto al disporre le tessere e poi perchè quando hai finito un pezzo puoi bloccare il tutto per prolungarlo in un altro momento, senza aver paura che una corrente d'aria, una porta sbattuta o chissà che altro faccia partire la caduta (so che si mettono ogni tanto dei fermi per evitare un disastro globale, ma non possono essere troppo ravvicinati)(per esperienza personale, bisogna comunque evitare che una vivace gattina interagisca con la struttura...). E' possibile anche che più persone costruiscano ciascuna un pezzo di struttura e poi si mette tutto insieme, così da ottenere una lunghezza considerevole senza eccessiva fatica.  

Mi piace per molti motivi:
permette un bel ragionamento sulle forze elastiche: quanto flette il bastoncino, come flette a seconda di dove si mette il bastoncino precedente, quanto salta in alto quando lo si lascia andare
è una struttura che si autosostiene ma è in una fase poco stabile e basta una piccola perturbazione (togliere un solo bastoncino) per scatenare un evento molto più grande (la goccia che fa traboccare il vaso)
è immediato anche il ragionamento sull'energia: l'abbiamo congelata nella struttura flettendo e bloccando i bastoncini e la riotteniamo (sì, va beh, non tutta) quando la reazione si scatena 
mi ha ricordato il ponte che facciamo realizzare in museo nel laboratorio di Leonardo: anche questo ponte è una struttura che si autosostiene e basta togliere una sola bacchetta per farlo crollare. 



Si può poi usare stick bomb e altre azioni per realizzare una macchina  tipo quelle di Rube Goldberg (una macchina di Rube Goldberg è un dispositivo estremamente complicato che svolge un compito molto semplice nel modo più complesso e indiretto e divertente, vedi la voce su wikipedia): esempi di belle macchine di Rube Goldberg: http://www.flixxy.com/best-rube-goldberg-machine.htm e, esagerata, http://www.wired.com/gadgetlab/2010/03/ok-go-rube-goldberg/ (qui compare la pop band OK Go che ha realizzato altri video stupendi per esempio questo con più tapis roulant http://www.youtube.com/watch?v=dTAAsCNK7RA

Nota: ricordo che potete lasciare un commento anche a un post vecchio, il sistema mi avvisa comunque 

venerdì 7 ottobre 2011

Elettricità

Durante l'open day del museo, il 24 settembre, abbiamo proposto anche un laboratorio intitolato "Elettricità fai da te", che si basa su una attività che abbiamo svolto in alcune classi presso le rispettive scuole, come completamento di un corso per insegnanti, arricchita dalle idee di una delle attività dell'Exploratorium di San Francisco: The Tinkering Studio 



Nell'attività che svolgiamo nelle classi usiamo dei generatori elettrici manuali: sono delle torce elettriche che si possono caricare con una dinamo azionata da una manovella. Sono interessanti perchè hanno una presa per la carica dei cellulari, ed è una presa USB, quindi uno standard diffusissimo. 

La presa USB ha quattro fili: i due più esterni servono per l'alimentazione elettrica (sono uno rosso (alla polarità positiva) e uno nero (polarità negativa, secondo le regole standard)) mentre i due più interni sono per la trasmissione dei dati. Ci sono molti accessori, alcuni decisamente demenziali, da attaccare alla presa USB di un computer: dal ventilatore alla luce. Il computer fornisce 5V: quando gli attacchiamo uno degli accessori lo usiamo semplicemente come una grossa batteria ricaricabile.

Noi distribuiamo le torce/generatori, una presa multipla USB che viene collegata al generatore e quattro dispositivi che funzionano a corrente, scelti fra gli accessori per computer con spina USB: due luci a LED, un ventilatore, un aspirapolvere (dovrebbe servire a pulire la tastiera, mah...). Invitiamo i partecipanti a inserire gli apparati uno per volta nella presa multipla mentre una persona sta girando la manovella del generatore: chi gira la manovella sente chiaramente che man mano che si aggiungono utilizzatori bisogna girare con forza maggiore, e che alcuni utilizzatoti richiedono più forza degli altri (i motori sono più faticosi delle luci). 

In "Elettricità fai da te" abbiamo allargato il campo di esplorazione, chiedendo di  collegare fra loro un generatore (mettevamo a disposizione anche batterie piatte da 4,5V) e utilizzatori vari, in modo che funzionassero. Abbiamo aggiunto agli accessori per computer alcuni motorini elettrici recuperati da giochi, LED (ricordate: il filo più lungo va al +), cicalini, lampadine, lucine da albero di Natale. Per i collegamenti c'erano cavetti con morsetti a coccodrillo, cavetti con spina USB da una parte e morsetti a coccodrillo dall'altra, cavetti USB di prolunga, cavo elettrico. Volendo esagerare, c'erano anche interruttori telegrafici e da impianto elettrico casalingo o quasi (tutto il lavoro di preparazione dei cavetti e delle lucine di Natale, con centinaia di saldature, è stato generosamente affidato a Francesco, che ha anche recuperato motorini ecc, e ha condotto per ore l'attività).

Il tutto funziona e interessa i visitatori, quindi ci dobbiamo lavorare per renderlo una attività standard del museo: in particolare dobbiamo semplificare i cavetti di collegamento e preparare qualche supporto comodo per gli utilizzatori. 

Francesco progetta e realizza qualunque cosa gli si chieda. Serve un braccio che massaggi automaticamente la testa? che problema c'è - serve un letto che ti costringa ad alzarti dopo il suono della sveglia? eccolo qui  
Francesco ha realizzato dispositivi che si infilano nella presa USB del computer usando sia una basetta per i circuiti elettronici sia, molto più interessante, un pezzetto di polionda (il polionda è un foglio di plastica con due superfici unite fra loro da una serie di canali, e appare simile ai cartoni per pizza, che hanno l'ondulato fra le superfici) 







alle insegnanti di scuola primaria segnalo il ricco blog di Cristina Sperlari "il piccolo Friedrich"