VUOTO E DINTORNI

Liceo Scientifico G.Galilei- Palermoa.s. 2012-2013

Alunni della classe II e IV FDocente Lidia Palumbo

Il contrario di pieno,quindi,che non contiene nulla,che non ha nulla dentro di sé.

In matematica,è l’insieme privo di elementi,cioè l’insieme nullo, indicato col simbolo Ø.

Cos’ è il vuoto ?

L’assenza di materia

Il vuoto è l’assenza “assoluta” di materia .

Democrito e il vuoto

Nel 5° secolo a.C. nasce presso i Greci una corrente di pensiero che associa l’essere e il non essere rispettivamente al pieno e al vuoto. Secondo Democrito la natura dei corpi dipende dall’aggregazione di atomi.

L’atomo è indivisibile

Aristotele e il vuoto

Nella storia del pensiero scientifico ,l’esistenza del vuoto è stata negata da Aristotele,in contrapposizione alle teorie democritee.

Il vuoto non esiste:”Natura abhorret a vacuo”

Esiste il vuoto assoluto?

L’assenza “assoluta” di materia si può realizzare?

Nooooooooooo. In senso scientifico e tecnico,il vuoto è, in

pratica,lo stato in cui la pressione residua dovuta all’aria o altri gas e’ inferiore a quella dell’ambiente circostante (in particolare la pressione atmosferica).

Grado di “vuoto”

Il grado di vuoto, si misura in base alla pressione (p=F/S) dell’ aeriforme residuo presente .

Pressione e “vuoto”

Nel XVII secolo le due nozioni complementari di pressione atmosferica e di vuoto diventano fatti scientifici basati sulla esperienza.

Come si misura la pressione?

La pressione si misura in pascal nel S.I.,ma ,esistono altre unità di misura.

L’atmosfera (atm), cioè la pressione esercitata dall'atmosfera terrestre al livello del mare, è circa 101325 Pa .

Conosci i vari tipi di vuoto?

Si distinguono 5 categorie di vuoto :

• Low Vacuum (LV) 105 — 102 Pa (basso vuoto)

• Medium Vacuum (MV) 102 — 10-2 Pa (medio vuoto)

• High Vacuum (HV) 10-2 —10-6 Pa (alto vuoto)

• Ultrahigh Vacuum (UHV) < 10-6 Pa (vuoto ultra alto)

• Extreme Ultrahigh Vacuum (XHV) < 10-10 Pa (vuoto estremo)

Torricelli

Con l’esperimento di Torricelli si dimostra l’esistenza della pressione atmosferica.

L’altezza h della colonna di mercurio corrisponde alla pressione atmosferica e ne controbilancia l’azione .

(vedi link su Evangelista Torricelli http://scienzapertutti.lnf.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1717&Itemid=477 )

Nel 1648 Puy de Dome e F.Perier rilevano le altezze del mercurio con un barometro torricelliano a varie altitudini e dimostrano che un “vuoto naturale” può trovarsi a grandi altitudini.

Puy de Dome e Perier

Von Guericke

Nel 1650 O. von Guericke realizza i famosi esperimenti di Magdeburgo.

Noi ci abbiamo provato in laboratorio….

“Giocando “ con la campana a vuoto.

Variazione della pressione sulla superficie di un palloncino

Un palloncino si “gonfia” quando

diminuisce la pressione dentro la campana.

La sveglia ….”muta” Il suono si propaga nel vuoto? Una sveglietta o un cellulare posti in un

campana collegata ad una pompa pneumatica diventano…..muti!!!

Il suono non si propaga nel vuoto ma ha bisogno di un mezzo elastico per diffondersi.

La fiamma non c’è più !!!

La fiamma della candela, ma più in generale il fuoco, per poter bruciare (per poter "vivere") ha bisogno dell' ossigeno.

Quando la candela si pone sotto una campana a vuoto,quindi, si spegne.

L’acqua bolle solo a 100°C?

Un beker contenente acqua , si trova dentro una campana in cui lentamente la pressione diminuisce. Esso permette di far vedere l’ebollizione a temperatura ambiente. (vedi il video)

Giochi di pressione

Diminuendo la pressione all’interno della campana il liquido fluisce dalla buretta al beker.

Il baroscopio

Il giogo del baroscopio supporta due oggetti di massa e volume diversi . Si trova la posizione di equilibrio in aria . Si pone il baroscopio dentro la campana e lentamente si aspira l’aria. Si constata che il corpo di volume maggiore si sposta verso il basso man mano che il “vuoto” aumenta. Perché? Ricorda che il principio di Archimede vale nei fluidi,quindi anche in aria.

Le ventose

 La ventosa aderisce alla superficie di un oggetto quando la pressione esterna (pressione atmosferica) è maggiore della pressione esistente tra la ventosa e la superficie dell’oggetto. La forza di sollevamento della ventosa dipende dal grado di vuoto raggiunto dalla pompa e dalla sua capacità di compensare le perdite.

IL TUBO DI NEWTON

Funziona prima con l’aria al suo interno e poi

estraendo l’aria con una pompa . Permette di dimostrare che ,quando nel tubo

c’è l’aria ,i corpi pesanti cadono più velocemente di quelli leggeri. Quando si aspira l’aria dal tubo (tubo “vuoto”),oggetti pesanti e leggeri cadono tutti con la stessa accelerazione di gravità. L’accelerazione di gravità è indipendente dalla massa dei gravi.

L’atmosfera terrestre e il vuoto

La densità delle particelle nell’atmosfera terrestre non è costante. Essa diminuisce con l’altezza.

Il 99 % della atmosfera si trova in una fascia sino a 50 Km di quota.

Il volo di Felix Baumgartnernel “vuoto”

La caduta libera nel “vuoto”

La caduta libera è una caduta di un corpo in un mezzo senza “attrito”.

Felix Baumgartner, austriaco 43enne soprannominato Fearless (senza paura) si è lanciato nel “vuoto” , per volare a velocità stratosferica verso la sua Terra ,realizzando il più antico dei sogni dell’uomo: volare.

Il 90% della massa dell'aria della terra si trova sotto i 10 km di altezza.

Quindi il volo di Felix Baumgartner è avvenuto in una zona di vuoto spinto. L’assenza di aria gli ha permesso di raggiungere in breve tempo la velocità del suono (340 m/s circa ).

SCIENZA E TECNOLOGIA DEL VUOTO

Il vuoto ha un ruolo importante in numerosi

esperimenti in fisica e chimica. Nel periodo 1901-1906 diversi vincitori del premio

Nobel hanno utilizzato tecniche di produzione del vuoto:

H. Rontgen (raggi X) J.W. Rayleigh (scoperta argon) P.A. Lenard (ricerche sui raggi catodici) W.Thompson (conducibilità dei gas)

Nella vita quotidiana si è continuamente a contatto con applicazioni della tecnica del vuoto.

Ecco un link per una panoramica http://www.aiv.it/?q=content/vuoto

I raggi catodici

I raggi catodici sono fasci di elettroni che si producono all'interno di un tubo elettronico a vuoto, rilasciati dal catodo ( elettrodo con carica negativa), solitamente per effett0 termoionico. Nel vuoto spinto del tubo catodico gli elettroni viaggiano ad alta velocità verso l'anodo, l'elettrodo positivo (attratti per effetto della forza di Coulomb). Sono deflessi da campi elettrici e magnetici. Sono evidenziati da sostanze fluorescenti che emettono luce quando colpiti dagli elettroni.

Il tubo catodico

Nei vecchi televisori a tubo catodico gli elettroni emessi da diversi cannoni spazzano lo schermo ed eccitano particelle ad emettere luce (si formano così le immagini).

Tubo di Pohl

E’ un tubo di vetro che presenta alle estremità due elettrodi ai quali applicare una tensione variabile e collegato ad una pompa a vuoto.Permette di studiare la conduzione elettrica nei gas e di osservare gli effetti al variare della pressione.http://youtu.be/U84JXt9RMKU

Tubi e altro

Diminuendo la pressione è possibile aumentare il cammino libero medio λ ( la distanza media percorsa da

una particella fra due urti successivi) di particelle (molecole, elettroni, ioni) fino a

distanze macroscopiche. Ciò avviene nei tubi catodici, tubi termoionici,acceleratori di

particelle …..

Il laboratorio di astrofisica spaziale dell'Osservatorio Astronomico G.S. Vaiana di Palermo, denominato

X-ray Astronomy Calibration and Testing (XACT) facility, viene utilizzato nello sviluppo e calibrazione di strumentazione per astronomia a raggi X.

L’astronomia X si avvale della radiazione X (invisibile),emessa dai corpi celesti. La camera di misura si apre all'interno di una camera pulita di classe 1000, cioè uno spazio dove la qualità dell'aria è controllata in modo da non avere più di 1000 particelle di polvere per piede cubico (equivalenti a 35 particelle per decimetro cubico).

La camera a vuoto, include un tubo di 16 metri alle cui estremità sono poste la sorgente di raggi X ed una sezione di misura. Il tubo consiste di 11 pezzi a sezione circolare, il cui diametro varia, seguendo la divergenza del fascio di raggi X da un minimo di 150 mm, dal lato della sorgente X, a un massimo di 630 mm, all'estremità della sezione di misura. Il lungo tubo serve a collimare il fascio e rendere puntiforme la sorgente ai fini degli esperimenti. Il sistema di pompaggio che crea il vuoto all'interno del tubo (necessario perchè l'emissione X si propaghi senza essere assorbita) garantisce un vuoto molto pulito e privo di contaminazioni di carbonio, quindi molto adatto all'utilizzo di rivelatori sensibili alla presenza di questi contaminanti.

Nello spazio c’è il vuoto assoluto?

La densità della materia negli spazi tra le galassie è circa 10-29 g/cm3 (XHV) , ma non è nulla …..quindi

”Natura abhorret a vacuo??”

Il vuoto più spinto che si può realizzare in laboratorio non è paragonabile al vuoto

spaziale e infatti:

Lo spazio con le onde elettromagnetiche

Se per vuoto assoluto,poi, intendiamo assenza di materia e di radiazioni,lo spazio intergalattico è vuoto?

Lo spazio è permeato da radiazioni elettromagnetiche (ricorda l’equivalenza massa –energia).

”Natura abhorret a vacuo??”

Un altro approccio al vuoto

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=5jjdeE5wB5s