mercoledì 15 febbraio 2012

Dalle palline del pachinko alle astronavi: 2. il cannone di Gauss, i treni magnetici ed i lanci orbitali.

Treno giapponese a levitazione
magnetica MLX-01. (prototipo non
utilizzato nel trasporto passeggeri.


Abbiamo visto nel post precedente  come una pallina che colpisce una fila di biglie identiche  trasferisce tutta la sua energia a quella dal lato opposto, che si allontana  con una velocità identica a quella del proiettile iniziale.
Se agganciamo un magnete alle biglie del pachinko la situazione muta drammaticamente: la calamita attira il proiettile in metallo accelerandolo negli ultimi istanti prima dell’impatto. In questo modo colpisce con forza  la fila di palline, lanciando la biglia nel verso opposto ad una velocità più di dieci volte superiore di quella iniziale (qui il video). 
Cannone di Gauss e palline del
pachinko: 1. La pallina di destra
viene lanciata verso le altre . Il
magnete è indicato dalla freccia
blu. 2. il magnete attira la pallina e
la accelera. 3. la pallina di destra
schizza via. 
 Utilizzando una semplice macchina fotografica è possibile stimare la velocità di questo “proiettile magnetico”: la velocità balza da 3 cm/s a 50 cm/s (i conti sono mostrati qui). Anche in questo caso l’energia del sistema si conserva: la pallina del pachinko è infatti accelerata grazie all'energia immagazzinata nel campo magnetico, che è più bassa dopo l'urto. Il neodimio (60Nd) fa parte delle terre rare e in un composto con il ferro ed il boro è in grado di generare campi magnetici molto più intensi delle classiche calamite ferrose. 
Con l’aggiunta della calamita alle palline del pachinko abbiamo creato un semplice cannone di Gauss, un sistema che sfrutta i campi magnetici per accelerare un oggetto. Utilizzando gli elettromagneti è possibile creare cannoni di Gauss più potenti e versatili. Infatti utilizzando la corrente che scorre nei fili piuttosto che quella dei nuclei atomici  presenta due vantaggi: una zona cava in cui far passare  il carico da accelerare e la possibilità di governare l'accensione e lo spegnimento  dei vari moduli, realizzando un  sistema  a più stadi. 
Un grande cannone di Gauss potrebbe esser utilizzato per  per lanciare navicelle nello spazio con estrema efficienza e  costi estremamente ridotti. Purtroppo le accelerazioni in gioco sono troppo elevate per gli astronauti e rendono questo sistema più adatto ad lancio di cargo e materiale, o per l'uso come arma, dove si sta concentrando la maggior parte della ricerca e degli investimenti.
Configurazione dei magneti
per guidare il treno (alto)
e per tenerlo sollevato (basso).


I campi magnetici sono utilizzati con successo nei treni a levitazione magnetica. E' possibile creare una configurazione variabile di elettromagneti su cui il treno galleggia e scivola allo stesso tempo: senza ruote e binari l'attrito è molto ridotto ed è possibile raggiungere e superare velocità di 500km/h. Rimane l'aria a rallentare il treno: in un tunnel ideale in cui sia stato fatto il vuoto sarebbe possibile attraversare l'oceano atlantico in poche decine di minuti. Linee a levitazione magnetica sono state realizzate in vari paesi del mondo, con il primo servizio per passeggeri in funzione dall'aeroporto alla città di Shanghai. Altri dovrebbero entrare in funzione in Cina, Corea e Giappone nei prossimi anni. 

Schema del Lofstrom loop: un lungo
 cavo tenuto in piedi dalla
forza centrifuga generata dall'alta
velocità in cui scorre. Il cavo socrre
da ovest verso est, e compia
un ciclo completo tornando indietro
da est verso oves. 
Una ferrovia magnetica potrebbe essere utilizzata per lanciare carichi e persone nello spazio: il Lofstrom loop, dal nome del suo ideatore,  è una specie di lunga funivia senza piloni, tenuta in piedi dalla spinta centrifuga di un cavo che viene fatto circolare ad alta velocità all'interno di una guaina da cui è separato con campi magnetici. Le carrozze o cabine scorrerebbero - sempre sostenuti da campi magnetici - su questo cavo-binario lungo più di 2000km sino ad una altezza di più di 80km. Da lì si sganciano ed entrano in orbita  con dei propri piccoli propulsori. A differenza dell'ascensore orbitale, una struttura statica che  richiede lo sviluppo di materiali in grado di resistere a trazioni enormi, il Lofstrom loop è realizzabile con la tecnologia a nostra disposizione e consenitrebbe di ridurre enormemente i costi di lancio nello spazio.

Putroppo, in assenza di spinte economiche che consentano la realizzazione di queste strutture, per raggiungere il cosmo siamo costretti a ricorrere ai razzi convenzionali. Confrontando le immagini 1 e 4 della figura in alto è possibile vedere che l'urto non ha solo lanciato la pallina verso sinistra, ma anche spostato le altre verso destra. Ciò è dovuto al principio di azione e reazione  (che verrà trattato nel prossimo post) alla base di tutti i sistemi di lancio spaziale e di tutti - o quasi - i mezzi di trasporto sulla Terra.



(2, continua) Questo post in tre parti partecipa all'edizione di Febbraio 2012 de  'Il Carnevale della Fisica'  

Qui la prima parte
Qui la terza parte