martedì 29 novembre 2016

Onde gravitazionali

Lo scopo del laboratorio proposto da Donato Bini (CNR-IAC) è quello di costruire un modello che permetta di approssimare al meglio uno dei  potenziali gravitazionali dei due buchi neri, partendo dai dati reali forniti dall'interferometro LIGO nel settembre 2015. Il modello costruito, verrà poi confrontato con quello fornito dai committenti (CNR-IAC) al fine di verificare quale dei due approssimi al meglio i dati prodotti.
Il laboratorio è stato completato nella primavera del 2017 e il fascicolo corrispondente si può scaricare seguendo questo collegamento. Per ulteriori informazioni si può leggere il post Il quarto fascicolo: Onde gravitazionali.

Effective One-Body Model

Le equazioni che governano le interazioni gravitazionali di due corpi, dal punto di vista energetico, corrette via via dalle teorie post-newtoniane, sono talmente complesse da essere intrattabili anche con i calcolatori più moderni. Thibault Damour, Alessandro Buonanno e i loro collaboratori, tra cui Donato Bini che ci ha aiutato a realizzare questo laboratorio, hanno sviluppato una teoria di campo effettivo - Effective One Body (EOB) Model - che permette la manipolazione delle equazioni attraverso una radicale semplificazione delle stesse. Il formalismo introdotto è stato fondamentale per sviluppare gli oltre 250.000 modelli che sono stati usati per studiare e riconoscere i segnali derivanti dalla fusione di due buchi neri.
Il modello di Hamiltoniana introtto dal EOB Model assume l’aspetto che segue:
dove A è il potenziale radiale. È proprio una componente di questo potenziale che vogliamo approssimare in questo laboratorio!
Ricordiamo che in meccanica e in meccanica quantistica l’Hamiltoniana è associata all'energia totale di un sistema (quantistico o meno) e gioca un ruolo cruciale nel determinare l’evoluzione temporale del sistema stesso.

In pratica

Una delle tabelle con i dati di due potenziali gravitazionali a(p) e d(p)
Il gruppo di lavoro ha cercato un'approssimazione per uno dei tanti potenziali gravitazionali che fanno parte del modello. Il problema non è stato di facile soluzione: ha tenuto impegnati gli studenti per vari incontri e ha richiesto un uso intensivo e massiccio di applicazioni CAS come GeoGebra e xMaxima. Una delle difficoltà maggiori si è avuta nella scelta della forma della funzione approssimante, i tentativi sono stati molti e non sempre soddisfacenti. Ancora più complesso il lavoro necessario a comprendere il significato delle variabili e delle funzioni implicate, dei risultati e, in generale, la comprensione del problema in generale. Comprensione essenziale alla produzione del fascicolo (per una descrizione dei fascicoli vedere qui).
Uno dei tentativi di approssimazione su una parte dei dati

Ringraziamenti

Il laboratorio ha preso vita grazie alla disponibilità, al limite della dedizione, di Donato Bini. Ogni volta che abbiamo avuto bisogno di aiuto si è sempre prodigato in informazioni e spiegazioni. Più di una volta ha incontrato i ragazzi a scuola, a volte con un preavviso di un solo giorno. È grazie a lui se abbiamo avuto la possibilità di assistere alla lettura del professor Damour all'IAC.

domenica 20 novembre 2016

Rendimento di elica libera

Il rendimento di elica libera è il primo problema proposto alla classe e anche il primo a essere risolto. In breve: si tratta di analizzare i dati e le misure ottenuti da un esperimento di elica libera eseguito presso il laboratorio dell'Istituto nazionale per studi ed esperienze di architettura navale (CNR-INSEAN).
Realizzato grazie alla collaborazione di Alessandro Moriconi, CNR-INSEANN.
Il laboratorio è stato completato nella primavera del 2017 e il fascicolo corrispondente si può scaricare seguendo questo collegamento. Per ulteriori informazioni si può leggere il post Il terzo fascicolo: rendimento di elica isolata.

L'elica isolata

Come è facile immaginare, il rendimento di un'elica è fortemente influenzato dalla forma e dalle dimensioni dello scafo che l'elica stessa deve spingere quindi la forma e le dimensioni di un'elica sono in continua evoluzione, di pari passo con l'evoluzione degli scafi. L'analisi del rendimento di un'elica è parte essenziale di questa evoluzione.
Il primo passo è quello di testare l'elica senza lo scafo che dovrà in seguito spingere per avere dati da confrontare poi con il funzionamento a regime. questi test sono detti prove di elica isolata (Open water test).

Il modello in scala

La tabella con i dati originali
forniti da INSEAN
Il test si esegue su un modello in scala dell'elica per cui è necessario lavorare su grandezze adimensionali che, quindi, non dipendano troppo dalle dimensioni relative del modello. È pur vero che non si potrà avere una completa indipendenza dalla scala (per quanto sia precisa l'analisi e efficace la scelta delle grandezze adimensionali resta sempre il fatto che il modello è scalato ma il mezzo in cui si muove, l'acqua in questo caso, è la stessa).
In particolare è necessario eseguire l'esperimento con il numero di Reynolds più grande che sia possibile. Questa grandezza infatti, in un certo senso, misura il grado di turbolenza del fluido provocata dal movimento dell'oggetto, dell'elica in questo caso, e la turbolenza ne influenza fortemente il rendimento. Sarebbe auspicabile avere lo stesso numero di Reynolds nel test e nella realtà ma questo è chiaramente impossibile.

L'analisi dell'esperimento

Il CNR-INSEAN ha fornito una tabella con i risultati sperimentali misurati in una serie di punti (velocità del fluido, numero di giri dell'elica, spinta e coppia) e richiede agli studenti un analisi completa fornendo in particolare:
  • l'analisi dell'esperimento in modo standard (una tabella che per ogni punto sperimentale indichi le condizioni di prova, i risultati ottenuti e l'analisi di essi con i corrispondenti valori delle grandezze adimensionali in gioco)
  • l'intervallo (velocità di avanzo minima e massima) per cui il rendimento dell'elica è superiore al 50%
  • il valore di velocità di avanzo per cui il rendimento è massimo
Con velocità di avanzo si intende la versione adimensionale della velocità con cui si muove l'elica.

In pratica

Sostanzialmente il gruppo di studenti che ha affrontato questo problema ha dovuto innanzitutto lavorare sulla adimensionalizzazione delle grandezze e completare la tabella a partire dai dati sperimentali, in particolare hanno calcolato il numero di Reynolds.
La parte più interessante però è stata la successiva, il rendimento di un'elica si calcola a partire dal coefficiente di spinta e da quello di coppia (grandezze adimensionali corrispondenti alla spinta e alla coppia) con la formula:
dove J è la velocità di avanzo, KT il coefficiente di spinta e KQ il coefficiente di coppia.
Quindi si tratta di determinare una funzione (un polinomio) che approssimi KT e KQ per poi avere un'espressione per il rendimento. A questo punto non resta che calcolare il massimo di tale funzione nell'intervallo specificato, per avere il rendimento massimo, e risolvere un'equazione per determinare l'intervallo per cui il rendimento è superiore alla soglia specificata.
Il risultato finale ottenuto approssimando il coefficiente di spinta (in arancione) e quello di coppia (in blu) e la corrispondente funzione che approssima il rendimento (in verde). Per ciascuna funzione i punti e la spezzata in colore più scuro sono i dati sperimentali. I punti in colore viola sono il massimo - M - e gli estremi dell'intervallo per cui il rendimento è maggiore del 50%

Ringraziamenti

L'apparato sperimentale per i test di elica libera
Abbiamo conosciuto Alessandro Moriconi, Andrea Mancini e Marina Landolfi in occasione della Notte europea dei ricercatori e mi ha subito colpito la loro disponibilità verso i ragazzi, la loro curiosità per il gioco (Lampo di genio) e il loro apprezzamento per il lavoro fatto nello sviluppo. Ma qui mi piace ricordare il giorno in cui scrissi il messaggio in cui illustravo il progetto che stavamo abbozzando per l'alternanza scuola-lavoro e le loro risposte. Nella prima, pur apprezzando l'idea, spiegavano che era per il loro istituto impossibile collaborare a causa di impegni precedenti già concordati con altre scuole, proprio per l'alternanza scuola-lavoro. Nella seconda, giunte solo poche ore dopo, si rimangiavano tutto e si dichiaravano a partecipare. Trapelava da quel messaggio un entusiasmo che mi ha emozionato.
Quando poi, qualche tempo dopo, ci siamo seduti a tavolino per progettare il problema da proporre agli studenti mi ha stupito la semplicità e la rapidità con cui abbiamo definito i dettagli e organizzato, a grandi linee, il lavoro.
Credo che senza il loro aiuto questo progetto, forse, non sarebbe nemmeno iniziato.

sabato 22 ottobre 2016

GSuite

Uno strumento essenziale del progetto e dei laboratori è stato (ed è ancora adesso) sicuramente la suite di applicazione Google denominata GSuite insieme alla possibilità di creare, gestire e condividere documenti memorizzati online o nel cloud, come adesso è di moda dire.
La scuola infatti, da qualche hanno ha adottato una piattaforma elettronica per la condivisione di documenti e esperienze didattiche, un cloud, che si basa sulle applicazioni della GSuite. Ogni individuo, sia esso studente, docente o personale non docente, dirigente, che partecipa alle attività della scuola riceve in uso un indirizzo di posta elettronica del tipo nome.cognome@liceograssilatina.org e un accesso alle applicazioni che, insieme, vanno sotto il nome di Google Drive. Nel caso degli studenti o del personale che lascia la scuola l’accesso viene disattivato, così come l’account di posta elettronica, dopo qualche tempo.
Contestualmente sono disponibili gruppi (di classe - docenti e/o studenti, di dipartimento, ...) che permettono di raggiungere insiemi di persone facilmente e in modo efficace.

Documenti

Ogni documento, bozza o prima stesura dei fascicoli sono stati sempre - e solamente - sviluppati usando l'applicazione Google Documenti e memorizzati in Google Drive per un più facile accesso da parte degli studenti del gruppo e per una revisione rapida da parte dell'insegnante, sia che si fosse nello stesso edificio (anche se in aule e laboratori differenti) che ognuno a casa propria.
Di particolare utilità la possibilità di inserire commenti nel documento che fungevano da suggerimenti e correzioni per gli autori o la capacità di gestire, recuperare, modificare le varie versioni dello stesso documento.
Da non dimenticare poi il fatto di avere accesso ai documenti sempre con la stessa applicazione, anch'essa online come i documenti su cui agire. Particolarmente in una scuola dove convivono personal computer diversi con sistemi operativi differenti e applicazioni installate ancora più eterogenee.
Solo in vista della produzione del fascicolo per la stampa abbiamo cambiato ambiente (per una descrizione dei fascicoli vedere qui).

Altre applicazioni e condivisione

Utile è stata anche l'applicazione Google Fogli soprattutto, ancora una volta, per la possibilità di accedere sempre con la stessa applicazione a documenti condivisi e quindi sempre disponibili.
Ma tutto il materiale (file di GeoGebra e di xMaxima, immagini, grafici, fotogrfie), tutto è stato sempre condiviso su Google Drive in modo che fosse sempre disponibile e raggiungibile da chiunque partecipasse al progetto.

lunedì 3 ottobre 2016

domenica 2 ottobre 2016

Notte europea dei ricercatori 2

Vedi anche Notte europea dei ricercatori su questo stesso blog.

È andata benissimo! Oltre ogni previsione!
La Ludoteca della scienza (http://eventi.artov.rm.cnr.it/?page_id=4949), che ci è stata affidata, ha avuto un successo insperato: i tavoli con i giochi sono stati presi d'assalto a partire già dalle 16.00, orario di apertura, e non sono mai rimasti inattivi fino alle 22.30. E ancora alle 23.00 abbiamo dovuto chiedere ai visitatori di interrompere le partite in corso per consentirci di smontare e tornare a casa.
Gli studenti della 4°E del Grassi, d'altra parte, sono stati davvero encomiabili. Sin da subito si sono prodigati per pubblicizzare l'iniziativa e attirare spettatori che, una volta entrati nel piccolo padiglione a nostra disposizione, erano seguiti passo passo con spiegazioni sui giochi e nelle partite.

Le ragazze e i ragazzi che guidavano le partite avevano cura di spiegare il gioco con i dettagli e il linguaggio adatto all'età di chi avevano davanti. Con attenzione guidavano il gioco in modo che ogni partita scorresse via fluida ma che ogni giocatore si sentisse protagonista e attore della propria strategia. Sono rimasto impressionato!
Innumerevoli sono stati i commenti positivi e i complimenti ricevuti da ricercatori, genitori, docenti e semplici visitatori.
Un'esperienza bellissima! Unica!
La Ludoteca della scienza a Tor Vergata

Una partita a Pandemia: i giocatori devono cercare di frenare l'espansione di un'epidemia che minaccia l'intero pianete

Ancora Pandemia

Lampo di genio: i giocatori rivestono i panni di uno scienziato che, scoperta dopo scoperta, esplora il territorio immenso e infinito della fisica

Quantum Race di Fabio Chiarello: un gioco per conoscere gli strani meccanismi teoria quantistica


Una partita a Quantum Race


Le foto sono di Marco Rendicini.


domenica 25 settembre 2016

Notte europea dei ricercatori

Vedi anche Notte europea dei ricercatori 2 su questo stesso blog.

La Notte europea dei ricercatori è un’iniziativa promossa dalla Commissione Europea – http://ec.europa.eu/research/researchersnight/index_it.htm – fin dal 2005 che coinvolge ogni anno migliaia di ricercatori e istituzioni di ricerca in tutti i paesi europei. L’obiettivo è di creare occasioni di incontro tra ricercatori e cittadini per diffondere la cultura scientifica e la conoscenza delle professioni della ricerca in un contesto informale e stimolante. Tutti gli eventi della Notte europea dei ricercatori si svolgeranno simultaneamente il prossimo 30 Settembre in più di 250 città in Europa e paesi limitrofi, il tema di quest’anno (2016) è Made in Science. Una delle classi del liceo Grassi, la scuola dove insegno, parteciperà a questo evento!

I ragazzi della classe 4°E infatti allestiranno e gestiranno una piccola ludoteca con boardgame di ambientazione scientifica nel Padiglione della scienza nell’Area della ricerca di Roma 2 (Università di Roma Tor Vergata) – http://www.artov.rm.cnr.it/index.php/20-global-news/83-notte-europea-dei-ricercatori-2016. Ludoteca dove, tra gli altri, sarà possibile provare Lampo di genio (il gioco che abbiamo svilupato a scuola a tema Luce e Fotonica), e per qualche minuto vestire i panni di un ricercatore impegnato nella sua esplorazione della fisica!

La ludoteca sarà parte del programma ricco di attività pensato dagli organizzatori della sede romana per un ampio pubblico, che prevede seminari, laboratori, attività per i bambini e le famiglie, mostre espositive, osservazioni al telescopio e anche qualche partita con i nostri giochi!

Per gli studenti della scuola sarà un’esperienza unica!

sabato 24 settembre 2016

Il concorso Fotonica in gioco

Si è da poco concluso il concorso Fotonica in gioco, creare un gioco per raccontare la luce - www.fotonicaingioco.it/ - bandito dal CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) e dall'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie. Concorso che richiedeva la progettazione e realizzazione di un gioco da tavolo originale sulla luce e sulla fotonica. Il 2015, infatti, era l'anno scelto dall'UNESCO per celebrare il centenario della pubblicazione della celebre Teoria della relatività generale (cfr.  Albert Einstein, Die Feldgleichungen der Gravitation, in Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin, 25 novembre 1915). La conclusione del concorso e la valutazione dei giochi da tavolo presentati (28 giochi originali provenienti da tutta Italia) è slittata fino alla primavera di quest'anno.
Il regolamento
La classe 3°E ha partecipato realizzando Lampo di genio, un'esplorazione alla scoperta della luce (qui accanto la copertina della scatola prototipo realizzata dagli alunni). Un gioco da tavolo interamente progettato dalla classe e realizzato con l'aiuto di alcuni alunni e della professoressa Miriam Califano del liceo artistico di Latina. Il gioco, purtroppo, non è stato scelto tra la terna di progetti che saranno premiati ma ha avuto una menzione speciale di cui siamo molto orgogliosi. Infatti è stato nominato per ... l'elevato livello complessivo del gioco ... e si è comunque qualificato tra i primi dieci giochi.
In Lampo di genio i giocatori vestono i panni di uno scienziato che esplora il panorama ancora sconosciuto della fisica cercando, di scoperta in scoperta, di raggiungere il risultato finale: una teoria della luce!
Mi piace ricordare come abbiamo scelto, già nello scorso anno scolastico, il cuore del meccanismo di gioco: immaginare la scienza come un territorio sconosciuto da esplorare. Quando ci conoscemmo, io e la classe, allora la 2°E, proposi nella prima ora insieme un piccolo spezzone del film Il senso di Smilla per la neve in cui la protagonista, Smilla, raccontava di come fosse faticoso per lei, cresciuta negli spazi immensi e aperti della Groenlandia, vivere in una città. Del senso di claustrofobia che le davano gli spazi chiusi delle abitazioni e dei luoghi di lavoro. Con le sue parole: ... l'unica cosa che mi da veramente felicità è la matematica, la neve, il ghiaccio e i numeri ... la matematica è un paesaggio aperto, infinito. Tu vai verso l'orizzonte che continua ad allontanarsi ... come la Groenlandia (Peter Høeg, Frøken Smillas fornemmelse for sne, 1992).
Questo senso di immensità, di infinito, è quello che abbiamo voluto riprodurre nel gioco e quello che vorremmo provasse, nel suo e nel nostro piccolo, ogni giocatore che in questi ultimi mesi si è cimentato in una partita di Lampo di genio!