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

Le scale mobili giapponesi, le autostrade cinesi ed il bosone di Higgs: rottura di simmetria e difetti topologici

Scale mobili a Tokyo: per
convenzione si sta fermi a
sinistra e si cammina a
destra. Ad Osaka è
l'opposto. Da qui.

La regola è chiara: a Tokyo e nel Kanto, sulle scale mobili, si sta fermi sulla sinistra e si cammina sulla destra. Non è chiaro come e quando si sia giunti a questo tacito accordo, ma -  come nel caso del traffico automobilistico – anche l’opposto è perfettamente accettabile. Infatti nel Kansai la convenzione è opposta: nelle città di Kyoto, Osaka e Kobe si sta fermi sulla destra e si lascia lo spazio per camminare sulla sinistra.

La regola della scala mobile è un esempio di “rottura spontanea della simmetria” che incontriamo ovunque nel nostro mondo. Il nostro corpo ci fornisce un altro esempio: il cuore si trova a sinistra ed il fegato  a destra, anche se in alcuni individui la disposizione degli organi è speculare . In questi casi vi sono solo due possibilità: destra o sinistra (e si parla più propriamente di parità), ma si possono immaginare esempi più complessi: immaginate di prendere uno spillo e tenerlo  in verticale con un dito  facendogli toccare il tavolo con l'altra estremità. Lasciato il dito lo spillo cadrà in una direzione a caso: Si è passati da una configurazione simmetrica (lo spillo in verticale) ad una asimmetrica (lo spillo caduto da un lato). 

In un materiale ferroso si passa
da uno stato  disordinato ma
 simmetrico ad  uno ordinato
 in cui la simmetria  è rotta dalla
 direzione della calamita che si
è venuta a formare. 

Lo stesso accade in un materiale ferroso: anche se inizialmente smagnetizzato, dopo un certo tempo si magnetizzerà spontaneamente diventando quindi una calamita. Microscopicamente, le mini-calamite costituite dai dipoli atomici si sono allineate tra loro passando da uno stato disorganizzato e casuale ad uno ordinato (ad energia più bassa e dunque più stabile) in cui tutti i dipoli puntano nella stessa direzione.

Si ritiene che un fenomeno analogo sia avvenuto nei primi istanti di vita dell’universo: si è passati da uno stato perfettamente simmetrico in tutte le particelle non hanno massa ad uno asimmetrico (ma ad energia più bassa), in cui le particelle elementari che compongono il nostro universo hanno masse tutte diverse tra loro. Nel caso dello spillo, il responsabile della rottura di simmetria è il nostro dito, nel caso delle particelle elementari, il “colpevole” di questa rottura di simmetria dovrebbe essere  il bosone di Higgs (il condizionale è d'obbligo dato che non è stato ancora trovato con certezza).

Schema dei domini di Weiss
in un materiale ferromagnetico
da qui

Torniamo al nostro pezzo di ferro: spesso la magnetizzazione non è uniforme. Può accadere che parti del metallo si magnetizzino in direzioni diverse. Queste microscopiche regioni in cui la magnetizzazione è uniforme prendono il nome di domini di Weiss, dal nome del suo scopritore. Particolarmente interessante è quanto avviene al confine tra questi lillipuziani paesi: la transizione tra un dominio e l’altro crea delle discontinuità, delle “zone di nessuno” (o domain wall) che esibiscono particolarità geometriche e matematiche molto particolari. 

La strada da Hong Kong alla Cina
collega regioni in cui si guida in
verso opposto: è quindi un esempio
macroscopico di difetto
topologico.

Nell'autostrada che collega Hong Kong alla Cina è possibile vedere una di queste transizioni, creata apposta per facilitare il passaggio dal primo paese, con la guida a sinistra al secondo, in cui si guida a destra. 

In Giappone non c'è nulla di simile nel caso delle scale mobili, anche se ci si potrebbe immaginare una fantastica città di Escheriana memoria, sita tra il Kansai ed il Kanto, in cui si passa da una convenzione all'altra.  

E per il nostro universo? La questione è ancora aperta: la teoria del Big Bang prevede un’espansione talmente rapida del nostro universo che la rottura di simmetria regolata dal bosone di Higgs potrebbe essere avvenuta in maniera diversa in punti diversi del nostro universo. Lì le  leggi della fisica potrebbero essere diverse dalle nostre.   Messaggeri di questi remoti angoli dell'universo potrebbero essere i difetti topologici, strutture geometriche simili ma infinitamente più complesse dell'autostrada cinese che potrebbero giungere anche sul nostro pianeta. Al momento sono relegati nel mondo della fisica teorica e della fantascienza, ma esperimenti in corso di progettazione hanno in programma la ricerca di queste splendide rarità.