Myachi

Stiamo ricominciando a pensare alle attività estive di scienza e sport e mi piacerebbe proporre un po' di giocoleria (è vero, non è propriamente uno sport, ma mi piace troppo). Bisogna scegliere qualcosa che si impari abbastanza in meno di un paio d'ore, e che sia legato a questioni scientifiche interessanti (ma questa è la preoccupazione minore, tutta la giocoleria ha a che fare con temi di fisica).
Sofia mi ha suggerito il myachi, una disciplina che consiste nel far volteggiare un sacchettino piatto pieno di materiale granulare, con l'unico divieto di prenderlo con il palmo delle mani.

Ecco qualche trick:

Non è difficile imparare i movimenti di base e si può evolvere.
Un aspetto interessante è che si può giocolare in gruppo, lanciandosi il myachi.

E' interessante anche la possibilità di costruirsi il proprio myachi, scegliendo il tipo di stoffa e il granulare in base al proprio "stile": un sacchetto di seta scivola più di uno di canapa, il cous cous si comporta in modo un po' diverso dal riso, ecc.
Ci sono utili tutorial in rete, questi sono solo due che ho trovato per primi: How to Play Myachi,  The Fu .
Utili informazioni anche nel sito The myachi blog. 
Ora dobbiamo solo costruircene qualcuno e provarlo per un po', poi decideremo se proporlo.

Una bicicletta "antigravitazionale" non sterza

Nel post Anti-Gravity Cycling  c'è questo video antiintuitivo

Insomma, la forza di gravità sembra essere fondamentale per curvare in bicicletta, la stessa forza di gravità che costituisce il principale problema dello stare in equilibrio.
Stare in equilibrio è una questione di aggiustamenti continui da parte del conducente, piccole e istintive sterzate (imparare ad andare in bicicletta è proprio rendere istintiva l'azione di sterzare per compensare l'inclinazione che ti porta fuori equilibrio), l'effetto giroscopico è trascurabile: l'avevamo riassunto in un lavoro fatto qualche anno fa con insegnanti.

Però una bicicletta resta in equilibrio anche senza il conducente, quando la lanciamo. Alla Delft University of Technology hanno fatto e stanno facendo di tutto anche per capire come rimane in equilibrio la bicicletta. E' una lettura impegnativa e mi lascia l'impressione che non tutto sia stato chiarito.

All'interno di una pallina da baseball

Marco è l'allenatore di baseball che insegnerà i fondamentali del suo sport ai ragazzi del campus estivo dedicato a scienza&sport. Ci ha portato una pallina da baseball da sezionare, e l'abbiamo fatto.

Tolte le due parti di pelle si trova un gomitolo appiccicaticcio di filo di cotone tipo quello per cucire, piuttosto fine. Allora prendi il filo e cominci a svolgere il gomitolo e continui, continui, il filo si rompe, lo riprendi, e svolgi, e si rompe, ..., insomma bisogna avere un po' di pazienza (e di tempo).

A un certo punto il filo di cotone finisce ed ecco che si trova dello spago, di spessore simile a quello che si usa per l'arrosto. Prendi il capo e cominci a svolgere il gomitolo, ma vai molto più veloce di prima. 

E alla fine dello spago c'è una pallina di gomma, che rimbalza. La pallina da baseball integra non rimbalza bene. 

E' la seconda pallina di cui esploriamo l'interno. La prima è stata la pallina di Squash o splash? 

Cercheremo una pallina da golf. 

Squash o splash?

In questa trasmissione di Geo Scienza del 28 gennaio

Fisica del calcio e di altri sport : ho difficoltà a vederlo usando Chrome, mentre va tutto bene con altri browser

l'ottimo Nicola Ludwig mostra che una pallina da squash riscaldata rimbalza meglio di una fredda (vedi verso i 12' 40"). Proprio non lo sapevamo, nelle palline da squash c'è una goccia d'acqua: durante il gioco la pallina si riscalda grazie ai colpi che riceve, l'acqua vaporizza un po', la pressione all'interno aumenta e così la "rimbalzosità" della pallina.
Dato che nelle nostre attività sul rimbalzo abbiamo usato anche palline da squash ne ho recuperato una, very professionale (marcata con due pallini gialli)

e l'ho sacrificata all'avanzamento della conoscenza: l'ho tagliata.

Ecco la goccia d'acqua dentro la pallina!
In effetti eravamo rimasti perplessi perchè la pallina da squash, fredda, non rimbalza tanto ma nei video la vedevamo sfrecciare e rimbalzare con una bella velocità: nelle nostre prove non l'abbiamo mai colpita abbastanza a lungo da generare vapore, quindi non abbiamo mai visto migliorare le sue prestazioni.
Chissà se altre palle sportive nascondono segreti al loro interno: partiremo dalle palle da baseball e da golf.

Back spin per pallina antistress

Siamo arrivati alla fine dei campus, soddisfacenti e un po' faticosi. 
Nel ping pong l'istruttore ha dedicato abbastanza tempo agli effetti, il primo dei quali è il backspin: si ottiene "tagliando" la pallina di sotto, e facendola così ruotare nel senso opposto rispetto al suo movimento lineare. Anche l'istruttore di basket aveva messo in evidenza come dare un backspin al pallone quando si tira mirando al tabellone aiuti a far canestro. C'è uno sport in cui il backspin è prepotente: la pétanque, un gioco di bocce francese (qui la voce in italiano su wikipedia e qui la voce moolto più estesa su wikipedia francese, ed ecco un breve pdf con qualche indicazione fisica). 
Un po' all'ultimo momento abbiamo pensato di far provare a giocare alla pétanque per sperimentare bene il backspin ma ci siamo impantanati nella scelta delle bocce. Per la pétanque non serve un campo come per il gioco italiano, e si usano bocce diverse, di metallo e cave. Però non siamo riusciti a trovare bocce poco costose, ce ne servivano almeno una ventina, e abbiamo ripiegato su bocce da spiaggia che si sono rivelate deludenti sull'erba. Alla fine abbiamo scoperto che le palline antistress vanno bene, addirittura sul pavimento. 

Il gioco è lanciare la pallina dentro un cerchio posato per terra in modo che rimanga dentro il cerchio. Per dare il backspin bisogna lanciarla, come nella pétanque, tenendo la mano con il dorso in alto

Il backspin fa in modo che quando la boccia tocca terra diminuisca il suo moto orizzontale: può rallentarlo, annullarlo o può succedere addirittura che la pallina torni indietro. La pallina ha pochissimo rimbalzo, quindi non salta troppo in alto dopo il contatto con il pavimento ed è possibile così eseguire dei lanci con una parabola bella alta. 
Con i ragazzi ha funzionato bene. All'inizio li abbiamo messi a un paio di metri dal cerchio, e dopo che tutti sono riusciti a piazzare la pallina nel cerchio li abbiamo allontanati un po'. Con i più grandi ho potuto accennare che il moto della pallina ha due, componenti, una orizzontale e una verticale, e quale delle componenti è toccata dal backspin e dal rimbalzo. 

Con quale racchetta si gioca al polo sud?

Lunedì inizia il primo campus su scienza e sport e abbiamo preparato tutto (spero). Per il ping pong (anche se bisogna chiamarlo tennis tavolo, lo so, lo so) una attività riguarda il controllo della pallina con la racchetta: inclinazione e possibilità di effetti. Ad Alice è venuto in mente di modificare qualche racchetta per vedere come si gioca

al polo sud si usa quella di pelliccia (ma non è una vera pelliccia)

per chi ama un gioco un po' aggressivo (l'intimo deve essere coordinato?) 

 una spolveratina al tavolo di gioco

Rotazioni

Sto programmando le attività per il nostro campus su scienza e sport. Pensando alla pallavolo, la battuta in elevazione è una situazione da sistema isolato: chi batte non ha i piedi per terra ed è isolato, come un tuffatore o un calciatore in rovesciata. Ho pensato come far sperimentare quel che avviene in un sistema isolato, in particolare in conseguenza dei principi di conservazione. Oltre a una piattaforma rotante che appoggia su quattro ruote da waveboard abbiamo costruito un braccio rotante appoggiato su una piattaforma libera di ruotare senza attrito: la piattaforma è il coperchio di una scatola di biscotti e sotto il coperchio ci sono palline da ping pong che eliminano abbastanza bene l'attrito; all'inizio si ruota il braccio mettendo in tensione un elastico. Eccolo in azione

l'azione è piuttosto veloce e allora abbiamo fatto appello alla prodigiosa macchina fotografica Casio

all'inizio tutto è fermo, poi il braccio ruota in un senso e la piattaforma nel senso opposto, e così il momento angolare si conserva
ma che succede quando all'inizio il braccio ruota? ecco qui 

il braccio ruota in un senso e la piattaforma si mette a ruotare nello stesso senso: è una rotazione piuttosto lenta quindi non si nota molto il rallentamento della rotazione del braccio: all'inizio c'è un momento angolare e deve conservarsi quando lascio la piattaforma libera di ruotare, quindi il braccio deve rallentare un po' - l'abbiamo visto bene con un altro prototipo in cui il braccio aveva un peso maggiore all'estremità, e una base più larga, che abbiamo però disfatto prima che ci venisse in mente di fare una ripresa video (dobbiamo ricostruirlo e rimetterlo in funzione) 

ah, il nastro americano ...

Con poca spesa e lavoro limitato ho realizzato una vaschetta a tenuta d'acqua per una attività sulla interazione terreno-acqua. 

Una lastrina di policarbonato trasparente, una uguale di polionda, sponde del polistirene che si usa per l'isolamento termico e nastro adesivo tipo americano per tenere insieme il tutto e sigillarlo. I Mythbusters hanno costruito una intera imbarcazione con il nastro americano, io mi sono limitato. All'inizio la vaschetta perdeva, ma c'era proprio un buchino. 

E poi è arrivata la "pistola" per misurare la velocità, la speedgun. 

Prime prove: misura la velocità di oggetti piccoli, tipo pallina da tennis, e a maggior ragione quella di palle e palloni che useremo per scienza e sport. Dobbiamo trovare il modo di proteggere chi userà il rilevatore perchè questo misura la componente della velocità lungo la linea di vista dello strumento quindi il pallone deve essere diretto il più possibile verso la speedgun: nel caso di una battuta o di una pallonata la faccenda può essere dolorosa.  La minima velocità rilevabile è 16 km/h, può essere un problema per un ciclista con andatura rilassata, ma una palla lanciata a mano da noi viaggia a una quarantina di chilometri all'ora, e una palla battuta o calciata è ben più veloce. 

Volley, velocità e urti

Continua la preparazione di "scienza e sport": questa settimana abbiamo dato un'occhiata ravvicinata alla pallavolo. 

Dopo aver scoperto che il colpo a braccia tese del ricevitore si chiama bagher, abbiamo visto che il colpo del pallone in arrivo (in genere una legnata devastante, almeno per me) va assorbito mantenendo le braccia il più possibile solidali con il corpo e flettendo leggermente le gambe, cioè l'urto avviene sulle braccia ma in realtà viene assorbito dalle gambe. Ho anche scoperto colleghi che praticano il volley e che mi hanno dato una mano a capire meglio quel che avviene. 

L'altra questione che salta all'occhio è la velocità di certi colpi, a partire dalla battuta per arrivare alle schiacciate. Mi piacerebbe misurare la velocità in modo molto diretto, usando un dispositivo simile a quello usato dalla polizia per misurare la velocità delle macchine. Cose simili si chiamano speed (o radar) gun e quella che più frequentemente compare nei video di YouTube è della Bushnell, ma non è l'unica casa produttrice a farne (vedi http://www.opticsplanet.net/radar-guns.html). Vengono usate anche per misurare la velocità di palle di baseball e ho visto che se ne trovano a un centinaio di euro, che non è una cifra inavvicinabile. E' possibile misurare la velocità in modo indiretto riprendendo con una telecamera l'oggetto in movimento davanti a una specie di grosso righello e vedendo fotogramma per fotogramma quale è stato lo spostamento, calcolando la velocità - oppure si usa un software di tracking, per esempio Tracker, video analysis and modeling tool, bello e free. Ma sono sistemi indiretti, che richiedono un paio di passaggi e non è comodo usarli su un campo da gioco con attivi ragazzini intorno.  

La velocità è una quantità immediatamente comprensibile, ma come rendere comprensibile le quantità in gioco in un urto? Nelle serie statunitensi tipo Mythbusters usano l'accelerazione, data in unità di g, l'accelerazione di gravità. Immaginando che il battitore imprima alla palla una velocità di 50 km/h (meno della metà di quella data da un giocatore professionista) in 1/10 secondo (un valore forse troppo grande) l'accelerazione è circa 14 g: piuttosto impressionante! ma forse non fa troppa impressione a un ragazzo di 13 anni ...

In altri casi si fornisce fornisce l'altezza dalla quale dovrebbe cadere l'oggetto per sbattere contro il suolo con la stessa energia (cinetica). Nel nostro caso la palla dovrebbe cadere da circa 9,8 m. Rende l'idea (sempre che ci si immagini quanto siano 9,8 m di altezza), ma non considera la rapidità dell'urto. E rende difficile far confronti con urti diversi, p.es. quello fra la racchetta e la pallina da ping pong. L'indagine continua ...

In scia

Mentre preparavamo un corso per insegnanti sulla bicicletta e vedevamo i vari aspetti scientifici (e non) legati a questo veicolo emozionale, abbiamo considerato l'effetto della resistenza dell'aria nel farci fare fatica quando viaggiamo. Naturalmente sapevamo che se stai nella scia di qualcuno fai meno fatica (vedi anche Aerodinamica, una pagina del sito dell'Exploratorium di San Francisco) e ci siamo chiesti che cosa sia la scia dietro una bicicletta (e un generico veicolo) e che forma e dimensione abbia. 

Mi ricordavo di aver visto un episodio della serie Mythbusters (il mio mito personale) in cui Grant con un'automobile si mette nella scia di un grosso camion, a distanza sempre minore, scoprendo che i consumi dell'auto crollano clamorosamente: stando a 3 metri dal retro del camion l'efficienza distanza/litro aumenta del 39%, confermando in modo evidente che una gran parte dell'energia impiegata per viaggiare (quindi del combustibile, se parliamo di auto) serve per vincere la resistenza dell'aria (Mythbusters: drafting 10 feet behind a big rig will improve mileage 39 percent) (beh, la resistenza dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità!). Ma settimana scorsa ho trovato per caso una prova dedicata proprio all'andare in scia in bicicletta, svolta nello stesso episodio che evidentemente non avevo visto completamente. 

Mythbusters: Big Rig Myths

La prima prova mostrata nel video serve a misurare la massima velocità che Tory raggiunge in condizioni normali: riesce ad arrivare a 32 km/h (20 miglia orarie), una velocità lontana da quella dei professionisti o anche solo degli sportivi, ma decisamente buona se la considero io dal mio punto di vista di ciclista normale (Grant gli applica un cardiofrequenzimetro e registra la frequenza delle pulsazioni mentre Kari si occupa di misurare la velocità con un dispositivo di rilevazione stradale). Dopo essersi opportunamente riposato, Tory ripete la prova mettendosi però dietro un grosso camion (a big rig) che va alla massima velocità raggiunta prima. Beh, la differenza è evidente: fatica quasi annullata, addirittura Tory ogni tanto smette di pedalare oppure deve frenare (vedi Annotated Mythbusters Episode 80: Big Rig Myths)  
Vedendo il video mi immagino che Tory stia muovendosi praticamente senza provare la resistenza dell'aria, in una bolla di aria che segue il retro del camion ed è quindi ferma rispetto a lui, che si muove alla stessa velocità del camion.

Ho cercato in giro e ho trovato in un sito sportivo l'articolo Sfruttare la scia 
in cui vengono descritte cinque configurazioni di un gruppo di ciclisti utili per sfruttare la scia. In un altro sito c'è L'Aerodinamica nel Ciclismo: la Scia in cui viene detto che dietro al primo ciclista, quello che "apre" l'aria, si forma una zona di bassa pressione, e lo stesso viene mostrato nel video Cycling - Slip Streaming che mostra con una animazione il flusso dell'aria attorno al ciclista ma indica la zona dietro il ciclista addirittura come "vacuum". 

Qualcosa in questo non mi convince. Se c'è una zona di bassa pressione mi aspetto che ci sia un flusso d'aria che dall'esterno della zona si muove verso il suo interno, cioè una specie di risucchio. Per mettere in evidenza il moto dell'aria nella scia, nella preparazione del corso sulla bicicletta avevamo pensato di usare una lamina di sapone, che è molto sensibile ai movimenti dell'aria, sperimentando l'attività chiamata Bolle in scia  

Alla fine delle prove ci siamo fatti questa idea della faccenda: l'aria che fluisce attorno all'oggetto crea una specie di superficie a pressione più alta (cioè una discontinuità di pressione) che si allunga dietro l'oggetto in movimento e circonda un volume di aria, a pressione ambiente, che si muove insieme all'oggetto, quindi alla sua stessa velocità (percepivo questo confine in modo molto netto quando andavo in moto: arrivi dietro un camion ed esci per sorpassarlo, e in quel momento vieni sballottato, stai attraversando il confine della scia). 
Se stai in quel volume delimitato dal fluire dell'aria e mantieni la stessa velocità dell'oggetto non c'è moto relativo fra te e l'aria, quindi la resistenza dell'aria crolla. 
Ma l'indagine prosegue ...

Spingere a lato per andare avanti, cercando di restare in equilibrio

Prosegue il lavoro sulla waveboard (l'inizio è in Cavalcare l'onda senza acqua). Questa settimana mi sono dedicato al lavoro teorico perchè lunedì mi sentivo molto (troppo) sicuro e ho provato una conversione a U abbastanza stretta e  veloce: la tavola è andata da una parte e io dall'altra, e poi per terra con un tonfo interessante (ma la tavola non si è fatta niente). Così ho sospeso gli allenamenti in attesa che il fianco mi torni come prima.

L'asse di rotazione del supporto delle ruote non è in verticale e non passa nel centro della ruota. Quando ruoto il supporto la ruota si sposta lateralmente. 

Quando spingo un piede verso il basso a destra la ruota si sposta verso sinistra; in questo modo dà una spinta sul terreno. Poi abbasso il piede dall'altra parte, e così via.
Lo si vede anche in un altro veicolo che usa lo stesso fenomeno: il "plasma car" 

Plasma Car - Not just for kids!!

Una versione diversa chiamata roller racer funziona nello stesso modo.

Il NonLinear Physics Group dell'università di Toronto ha affrontato la questione in The Physics of the Roller Racer and the Plasma Car (questo per dire a tutti, soprattutto al mio direttore, che non sto giocando e perdendo tempo ma conduco un serio lavoro scientifico; è un lavoro duro ma qualcuno deve pur farlo!). Se non bastasse, ecco l'articolo che mi fa da riferimento 
P.S. Krishnaprasad and Dimitris P. Tsakiris, Oscillations, SE(2)-snakes and motion control: a study of the Roller Racer  (sono arrivato agevolmente fino alla seconda figura, poi sono finite le figure)

Il movimento a S è tipico dei serpenti, e si presenta in varie forme. 

Sembra un movimento piuttosto efficiente, ed è stato applicato al movimento di robot.

Snake Robot 

Per un certo periodo avevano pensato di costruire robot simili da spedire su Marte. 

Quanto siano abili i serpenti guardatelo qui (parecchio inquietante). 

Snake climbing brick wall  

Cavalcare l'onda senza acqua

Alice e io abbiamo iniziato a pensare a un campus estivo su scienza e sport. Sono attratto dalla waveboard, quella tavola tipo skateboard ma con due sole ruote che avanza con un movimento ondeggiante molto fluido: andare in waveboard farà parte delle discipline del campus. In effetti non credo si possa parlare di disciplina sportiva, come non lo si fa per lo skateboard, ma non siamo troppo fiscali. Ecco un tutorial, non entusiasmante ma chiaro, su come si usa la tavola. 

http://youtu.be/t3jW6nkGXpU 

Per ogni disciplina esploreremo uno/due aspetti scientifici. Per la waveboard è l'equilibrio e il movimento, come si possa andare in una direzione quando si applica una forza in una direzione diversa (addirittura perpendicolare).  

Ho comperato la waveboard e sto imparando ad andarci. In effetti la cosa si sta allargando a un sacco di colleghi che passano dal laboratorio, ci vedono all'opera e ci provano anche loro. Più o meno in una mezz'ora si comincia a stare in equilibrio e ad accennare il movimento, quindi imparare non è frustrante (per esempio, imparare ad andare in monociclo richiede una certa determinazione perchè passano magari 5/6 ore senza che si riesca a fare altro che cadere, però con sempre maggior stile).

Street Surfing - Team Porto