Il Paracadute Magnetico

IL PARACADUTE MAGNETICO

L’apparato che state osservando è costituito da tre tubi cavi, con sezione e lunghezza approssimativamente uguale e sostenuti alla stessa altezza in posizione verticale, da alcune sferette metalliche e da tre contenitori di raccolta alla base dei tubi. Per giocare con questo strumento è necessario essere almeno in due persone in modo da lasciare cadere tre sferette contemporaneamente attraverso i tre tubi. Prendete per prima le tre sferette nella scatola “M”; vi sarete sicuramente accorti che esse sono fortemente magnetizzate. Posizionatele ora all’imboccatura superiore dei tre tubi, una sferetta per tubo. Lasciatele cadere. È successo qualcosa che non vi aspettavate? Ripetete l’esperimento se non avete osservato con attenzione o qualcosa non vi ha convinti. Adesso che siete sicuri che le sferette cadono in tempi diversi (quella nel tubo di plastica arriva per prima nella vaschetta) e arrivano ai contenitori di raccolta con velocità differenti, riprovate usando le sferette 6

nella scatola “N”, che non sono magnetizzate. Queste tre sferette attraversano i tubi e arrivano a terra in tempi uguali. La differenza tra i due casi che avete osservato è dovuta alle proprietà magnetiche delle sferette metalliche e al fatto che i tubi sono fatti di materiali diversi: uno di plastica e due di metallo (rame e alluminio). Se volete rendervi conto del fatto che sono i tubi metallici a rallentare la caduta delle sferette magnetiche, osservate che la caduta all’interno del tubo di plastica equivale a una caduta libera, indipendentemente dal fatto che sferetta sia magnetizzata o meno: per esempio fate cadere contemporaneamente dalla stessa altezza una sferetta magnetizzata all’interno del tubo di plastica e una non magnetizzata all’esterno del tubo. Il fenomeno per cui le sferette magnetizzate vengono rallentate mentre cadono dentro i tubi metallici è, quindi, di natura elettromagnetica. In particolare, quello che succede è spiegabile grazie alla famosa legge di Lenz (o dell’induzione elettromagnetica). Il campo magnetico prodotto dalle sferette nello spazio circostante, varia nel tempo mentre le sferette cadono all’interno dei tubi conduttori e conseguentemente provoca delle correnti elettriche all’interno del tubo stesso. Queste,

a

loro

volta,

generano

un

campo

magnetico

internamente al tubo e, quindi, delle forze magnetiche che agiscono sulle sferette rallentandone la caduta.

7

Per capire un po’ più in dettaglio il moto della sferetta magnetizzata, analizzate attentamente la figura a fianco. A destra la sferetta è in caduta libera all’esterno del tubo, mentre a

sinistra

cade

dentro

il

conduttore. Le frecce colorate rappresentano la velocità (blu), la forza di gravità (rossa) e la forza magnetica (verde) agli istanti di tempo riportati. Mentre nel caso della caduta libera esternamente al tubo, la sferetta è soggetta solo alla forza costante di gravità e,

pertanto,

aumenta

la

sua

velocità

proporzionalmente

al

tempo, secondo la nota 2a legge di Newton, il caso rappresentato a sinistra è più complicato. Infatti, all’istante t = 0, la sferetta ferma subisce solo la forza di gravità e, una volta abbandonata, inizia a cadere verso il basso. Come spiegato precedentemente, la velocità della sferetta fa sì che nel tubo conduttore inizi a circolare una corrente elettrica i che genera una forza magnetica in direzione opposta alla gravità. Al netto, la forza totale agente sulla sferetta è ancora diretta verso il basso, e la sferetta continua ad accelerare mentre cade. Al crescere della 8

velocità, però, cresce anche il valore della corrente indotta e, di conseguenza, della forza magnetica, fin quando quest’ultima raggiunge in valore quella di gravità: la forza totale, quindi, si annulla (istante di tempo t = 0.3 in figura). Da questo momento in poi, la sferetta cade di moto uniforme, cioè a velocità costante, come se avesse il paracadute. Una sferetta in caduta libera impiega circa 0.4 secondi per arrivare a terra da 1 metro di altezza; nell’esempio in figura, per chiarezza grafica è stata riportata una situazione in cui la sferetta attraversa il tubo conduttore in poco più di 0.6 secondi, ma nel caso reale che avete osservato vi sarete accorti che impiega molto più tempo ad attraversare sia il tubo di alluminio che quello di rame, circa 5 secondi.

A cura di: Gabriella Vaglica, Maria Antonella Artale, Luigi Scelsi, Roberto Vaglica. SISSIS

Fisica Elettromagnetismo

9