Supereroi 2

Qualche tempo fa in tv è iniziata una serie di telefilm dedicata ad un “supereroe” (sì, un’altra…), Flash. Flash ha avuto due trasposizioni televisive: “Flash” nel 1990, interpretato da John Wesley Shipp, e “The Flash” nel 2014, interpretato da Grant Gustin, in cui Shipp (l’attore protagonista della serie del ’90) è il padre di Gustin (il Flash del 2014).

Flash è un personaggio dei fumetti creato da Gardner Fox e Harry Lampert nel 1940, pubblicato dalla DC Comics. È un supereroe con il potere di muoversi a velocità straordinaria, sfidando le leggi della fisica. Egli è in grado di muoversi a velocità incredibili riuscendo a superare di svariate volte la velocità della luce. La sua velocità gli consente di camminare sull’acqua, sui soffitti o addirittura per aria.

Ma c’è una questione più stringente che mi assilla: con quale frequenza ha bisogno di nutrirsi?

La risposta breve è: spessissimo! Un quesito più elementare che ci potremmo porre è il seguente: perché ha bisogno di mangiare? Che cosa contiene esattamente il cibo di essenziale per qualsiasi attività, che sia correre, camminare o perfino stare seduti immobili.

Flash mangia per lo stesso motivo per cui lo facciamo tutti noi: per ottenere le materie prime utili alla crescita e alla rigenerazione cellulare, nonché per procacciarsi l’energia necessaria al funzionamento metabolico. Alla nascita il nostro organismo contiene una certa quantità di atomi insufficiente per rispondere a tutte le esigenze di crescita che si presentano nel corso della vita. A mano a mano che cresciamo e invecchiamo, abbiamo bisogno di più atomi, in genere sotto forma di molecole complesse che il nostro corpo scompone e trasforma nei mattoncini necessari per il ricambio cellulare e la crescita. Tutti gli atomi dell’universo (compresi quelli degli alimenti che ingeriamo) furono sintetizzati tramite reazioni nucleari in una stella ormai morta da lungo tempo, dove gli atomi di idrogeno andarono a comprimersi fino a formare atomi di elio, che si fusero in carbonio, eccetera. Un altro prodotto secondario di queste reazioni di fusione sul nostro Sole fornisce il secondo componente fondamentale del cibo che mangiamo. Matter-Eater Lad della Legione dei Supereroi sarà anche in grado di sostentarsi con oggetti inerti come metallo o pietra, e Galactus, la minaccia cosmica, dovrà anche consumare l’energia vitale dei pianeti, ma per la maggior parte di noi alimenti che mangiamo devono essere stati precedentemente vivi. Solo questo genere di cibo è in grado di fornirci un elemento aggiuntivo necessario, misterioso quanto è ordinario il suo nome: energia.

L’uso della parola «energia» è cosi comune che è snervante rendersi conto di quanto sia difficile definirla senza ricorrere al termine «energia», appunto, o «lavoro». In base alla definizione non matematica più semplice, l’«energia» è una misura della capacità di generare movimento. Se un oggetto è già in moto, diciamo che possiede «energia cinetica» ed è in grado di generare movimento nel caso in cui collida con qualcos’altro. Un oggetto può possedere energia anche se non si sta muovendo, come nel caso in cui sia tirato da una forza esterna (la gravità,per esempio) e tuttavia gli sia impedito di accelerare (diciamo per il fatto di essere” fisicamente ‘sostenuto al di sopra del terreno). Dal momento che l’oggetto si muoverà non appena verrà lasciato andare, si dice che possiede «energia potenziale».

Tutta l’energia è cinetica o potenziale, nonostante sia possibile, a seconda delle circostanze, che una massa abbia energia sia cinetica sia potenziale, come nel momento descritto nell’ articolo “Supereroi” ( https://francescodicastri.wordpress.com/2015/01/10/supereroi/ ) in cui Gwen Stacy cade dal ponte George Washington.

In cima, Gwen ha molta energia potenziale, dato che la gravità può agire su di lei su una lunga distanza. Il moto della ragazza è però impedito dal ponte che la sorregge. Quando Gwen viene scaraventata giù dalla cima, questo impedimento cessa di esistere e la forza che agiva su di lei (la gravità) dà il via alla sua accelerazione. Mentre precipita, l’altezza da cui continua a cadere va accorciandosi, il che si traduce in una diminuzione della sua energia potenziale. Tale energia non sta scomparendo: piuttosto, man mano che Gwen acquista velocità durante la caduta, la grande quantità di energia potenziale che aveva sul ponte si trasforma in una quantità sempre crescente di energia cinetica. In ogni istante della caduta l’energia cinetica acquisita è esattamente pari per quantità all’energia potenziale persa ‘(senza tenere conto dell’energia spesa per vincere la resistenza dell’aria). Nell’attimo in cui Gwen avesse colpito l’acqua sottostante, la sua energia potenziale sarebbe stata al minimo (una volta ai piedi del ponte non avrebbe avuto più alcun potenziale di caduta), mentre la velocità raggiunta e, di conseguenza, l’energia cinetica acquisita sarebbero state al massimo. In effetti, l’energia cinetica ai piedi del ponte sarebbe stata esattamente uguale (trascurando ancora l’attrito) alla grande energia potenziale che Gwen aveva in cima, all’inizio della caduta. L’energia cinetica si sarebbe poi trasferita all’acqua, che avrebbe fornito una forza tale da azzerare l’alta velocità di Gwen, con gli stessi terribili risultati descritti nell’articolo, quando viene afferrata dalla ragnatela dell’Uomo Ragno.

Immaginatevi altrimenti un pendolo. Nel punto più alto dell’arco descritto, il pendolo è immobile , ma è molto distante dal terreno e ha una grande quantità di energia potenziale. Questa energia nel punto più basso dell’oscillazione è al minimo e, se il pendolo fosse partito da questo stesso punto, non si sarebbe mosso. Partendo da più in alto, l’energia potenziale iniziale si trasforma in cinetica e, nel punto. più basso dell’arco, l’energia potenziale persa dal pendolo è esattamente pari a quella cinetica acquisita. Le uniche forze che agiscono su esso nel punto più basso sono la gravità (in verticale verso il basso) e la tensione del braccio del pendolo (in verticale verso l’alto). In questo punto nessuna delle due agisce nella direzione orizzontale dell’oscillazione. Ma il pendolo è già in movimento e un oggetto in moto resterà in moto, a meno che una forza esterna non agisca su di esso. Nel momento in cui oltrepassa il punto più basso e comincia a risalire, la sua energia cinetica torna a trasformarsi in energia potenziale. Se nessuno lo spinge, non potrà mai avere più energia di quella che aveva all’inizio , e dunque il punto finale della sua oscillazione non potrà trovarsi più in alto di quello da cui è partito. In pratica, il pendolo consuma parte della propria energia cinetica per spostare l’aria davanti a sé (attrito dell’aria), dunque salendo raggiungerà un’ altezza inferiore a quella di partenza.

Questa considerazione su quanta energia sia potenziale e quanta cinetica sottende una delle idee più profonde di tutta la fisica: l’energia non si crea né si distrugge, si può solo convertire da una forma all’altra. Questo concetto va sotto la fantasiosa denominazione di principio di conservazione dell’energia. Non siamo mai stati in grado di cogliere in fallo la Natura, verificando occasioni in cui l’energia al punto di partenza di un processo non equivalesse esattamente all’energia alla fine. Mai.

Fra gli anni Venti e Trenta, grazie agli studi sul decadimento dei nuclei radioattivi, i fisici scoprirono che l’energia finale degli elettroni emessi e dei nuclei risultanti non corrispondeva all’energia di partenza dei nuclei iniziali. Di fronte alla possibilità che nella reazione di decadimento l’energia non si conservasse, Wolfgang Pauli suggerì invece che l’energia mancante fosse portata via da una misteriosa particella fantasma, invisibile ai loro rilevatori. Alla fine furono costruiti strumenti in grado di osservare proprio queste “particelle fantasma”, i neutrini (cosi furono battezzati, con un pizzico di stravaganza, da Enrico Fermi) si rivelarono non solo reali, ma anzi una delle forme di materia più diffuse di tutto l’universo.

Pensate a quando si pianta un chiodo in un’ asse di legno. L’energia potenziale del martello, sospeso sopra la testa del falegname, si trasforma in energia cinetica durante l’oscillazione. Quando il martello colpisce il chiodo, la sua energia cinetica determina il moto del chiodo (verso l’interno dell’asse, con un po’ di fortuna) e, quale effetto collaterale, fa anche si che gli atomi contenuti nella testa del chiodo si muovano più violentemente, riscaldandolo. La suddivisione dell’energia cinetica incidente del martello in vibrazioni supplementari degli atomi nella testa del chiodo, il moto in avanti di quest’ultimo e la rottura dei legami molecolari all’interno del legno (necessari se si vuole che il chiodo conquisti lo spazio prima occupato dall’asse) si possono riassumere descrivendo l’<<efficienza» del» processo di martellamento. Se si sommano attentamente tutte le parti, grandi e piccole, di energia cinetica presenti nel chiodo, nel legno e perfino nell’aria (il «pam» che si sente quando si colpisce il chiodo è la conseguenza di un’onda di pressione, il suono, indotta nell’atmosfera circostante), il risultato corrisponderà esattamente alla quantità iniziale di energia cinetica del martello appena prima di colpire la testa del chiodo. Tuttavia, dal punto di vista del falegname, il riscaldamento del chiodo e l’effetto sonoro sono «energie dissipate», e riducono l’efficienza del processo di martellamento.

A volte l’energia dissipata non è cosi irrilevante. Un’automobile che procede su una strada in piano possiede energia cinetica, che deriva dalla reazione chimica che avviene durante la combustione della miscela di ossigeno e vapore di benzina, innescata dalla scintilla elettrica della candela di accensione. I gas derivanti da questa piccola reazione esplosiva si muovono a grande velocità, tanto da riuscire a far muovere i pistoni. Tramite un sistema ingegnoso, il moto verticale dei pistoni si trasmette alla rotazione degli pneumatici dell’auto. Naturalmente non tutta l’energia di questa reazione chimica finisce nel moto dei pistoni: gran parte riscalda il motore, il che è inutile dal punto di vista della locomozione. Oltretutto, man mano che procede, la vettura necessita di energia per spostare l’aria che ha davanti a sé. L’efficienza di un’automobile è determinata in larga misura dallo sforzo di spostare l’aria dal volume che intende occupare nell’immediato, vale a dire circa sei tonnellate d’aria ogni chilometro e mezzo dì distanza percorsa per un’auto di dimensioni standard! Più ampio è il profilo dell’auto o del furgone, maggiore sarà il volume d’ aria che bisognerà spostare e maggiore l’energia che occorrerà impiegare a questo scopo, oltre che per muovere la vettura in avanti. Questo stesso principio spiega anche perché è più semplice attraversare una piscina sott’acqua con le braccia lungo i fianchi e le mani appiattire piuttosto che scostate dal corpo. Minore è la superficie, maggiore sarà l’efficienza del carburante per veicoli con massa simile. Pertanto, l’aerodinamica che contraddistingue la linea di un’auto sportiva non punta solamente ad aumentare la nostra capacità di attrarre l’altro sesso, ma è anche di cruciale importanza nel determinare con quale frequenza dovremo fare visita al benzinaio.

Goblin consuma energia per portare Gwen Stacy sul ponte George Washington. Questo incremento dell’energia potenziale della ragazza si conserva per tutto il tempo in cui Gwen rimane in cima a una delle due spalle del ponte. L’incremento deriva dall’energia chimica del carburante dell’aliante di Goblin e via dicendo. Portato alla sua logica conclusione, il principio di conservazione dell’energia stabilisce che, se non è possibile creare nuova energia o distruggere quella presente, ma solo trasformarla, allora tutta l’energia che adesso si trova nell’universo era presente anche al momento del Big Bang che annunciò la nascita dell’universo stesso. In quell’istante primordiale l’intero universo era compresso in un volume inferiore a quello di un solo elettrone. Non c’era materia, solo energia, schiacciata in un volume inconcepibilmente piccolo. Nel momento in cui l’universo si espanse, la quantità di energia rimase inalterata, ma andò propagandosi in un volume sempre crescente.

La «densità di energia» è l’energia per volume; di conseguenza, se la quantità di energia rimane la stessa ma il volume aumenta, la densità di energia diminuisce. Tutta la materia presente nell’universo oggi ebbe origine, tramite un processo rappresentato dalla celebre equazione di Einstein E = mc2, quando la densità di energia diminuì fino a raggiungere un punto critico. E = mc2 significa che la materia può essere considerata «energia rallentata». Mentre l’universo si espandeva e si raffreddava, nell’arco del primo secondo dopo il Big Bang, la densità di energia era sufficientemente bassa da permettere che la materia, come i protoni e gli elettroni, cominciasse a condensarsi e dunque ad avere origine, non diversamente da come l’acqua che si raffredda forma cristalli di ghiaccio quando la temperatura scende sotto il punto di congelamento. Questa formazione spontanea di materia si è verificata una volta sola: agli inizi della storia dell’universo la densità di energia era troppo elevata perché i protoni e gli elettroni potessero condensarsi e avere origine, mentre in seguito (come ora), da quando la densità di energia è al di sotto della soglia di E = mc2, non vi è più stata sufficiente energia di fondo nello spazio cosmico perché la materia possa formarsi spontaneamente. I protoni e gli elettroni creati nei primi miliardi di anni dell’universo si aggregarono grazie all’attrazione elettrostatica e formarono atomi di idrogeno La gravità unì parte di questi atomi di idrogeno fino a formare grandi ammassi che divennero stelle. Al centro di queste stelle, tenuti insieme dall’energia potenziale gravitazionale, gli atomi di idrogeno vengono trasformati da una reazione nucleare in elementi più pesanti e in energia cinetica.

Ora, va benissimo dire che tutta l’energia (e quindi tutta la materia) che si trova oggi nell’universo era presente al momento del Big Bang, tuttavia questo ci conduce soltanto a due quesiti più profondi sull’energia: che cos’è in realtà ? E da dove veniva in origine? La scienza risponde a entrambe le domande esattamente nello stesso modo: non si sa.

Nel 1997 gli scienziati riuscirono a verificare direttamente che una densità di energia abbastanza grande poteva far si che la materia avesse origine spontaneamente. Facendo collidere tra loro dei fotoni di raggi gamma altamente energetici, furono ingrado di creare in laboratorio delle coppie elettrone/antielettrone, riproducendo in sostanza i meccanismi che entrarono in azione nei primi secondi dell’universo.

Per capire quanto debba mangiare Flash per riuscire a correre a supervelocità, dobbiamo calcolare la sua energia cinetica. Al fine di trasformare l’energia cinetica di un oggetto, accelerandolo o rallentandolo, occorre compiere del lavoro. In fisica il termine «lavoro» ha un significato specifico, leggermente diverso dall’uso comune. Quando una forza agisce su un corpo per una distanza data, diciamo che compie del lavoro su di esso e, in base alla direzione della forza, aumenterà o diminuirà l’energia cinetica del corpo stesso. Così «lavoro» è semplicemente un sinonimo di energia e i due termini hanno la stessa unità di misura. Per una massa m che cade, la forza che agisce su di essa è il suo stesso peso dovuto alla gravità F = mg, e la distanza lungo la quale la forza agisce sull’oggetto è semplicemente l’altezza h da cui cade. Quindi lavoro = (forza) x (distanza) = (mg) x (h) = mgh. Questa è l’energia potenziale che l’oggetto aveva a un’altezza h, dunque in questo esempio il lavoro può essere-visto come l’energia necessaria per aumentare l’ energia potenziale di un oggetto.

Quando Flash smette di correre, la trasformazione della sua energia cinetica richiede lavoro. Di tanto in tanto, l’accelerazione o decelerazione che Flash necessariamente conosce viene affrontata con realismo (più o meno), e le conseguenze sono rappresentate per immagini.

In «The Flash» n. 106° il nostro supereroe ha la necessità di fermarsi allîmprovviso mentre rincorre un oggetto che si muove a 800 km/h. Il fumetto lo raffigura durante il tentativo di interrompere la propria corsa mentre con i piedi scava enormi solchi nel terreno. In questo caso le forze, e in particolare l’attrito, che accompagnano la sua rapida decelerazione sono accuratamente rappresentate. L’enorme trasformazione in termini di energia cinetica nel portarsi da 800 km/h a velocità zero richiede un lavoro altrettanto grande.

Tornando alle abitudini alimentari di Flash, se l’energia cinetica Ec si esprime matematicamente come Ec = (1/2) mv2, allora il suo fabbisogno calorico aumenterà in proporzione al quadrato della velocità di corsa. Se corre due volte più veloce, la sua energia cinetica aumenterà di quattro volte, e dunque avrà bisogno di mangiare il quadruplo per raggiungere questa velocità più elevata. Ai tempi della Silver Age (tra la fine degli anni Cinquanta e gli anni Sessanta), il disegnatore Carmine Infantino rappresentava Barry Allen come un tipo piuttosto snello e non un enorme ammasso di muscoli, dal momento che, dopo tutto, si trattava di un corridore (Flash, non Carmine). Se Flash pesava 70 kg sulla Terra, allora anche la sua massa era di 70 kg. Correndo all’1 per cento della velocità della luce (lontanissimo dai valori massimi che può raggiungere), Flash avrebbe una velocità V = 3 milioni metri/secondo. In questo caso la sua energia cinetica Ec è (1/2) x (70 kg) x (3.000.000 m/s)2 = 315 trilioni di kg-m2 /s 2 = 75 trilioni di calorie. In fisica l’energia si usa cosi spesso che ha varie unità di misura, una delle quali è denominata «caloria», definita come 0,24 calorie = 1 kg-m2 /s2 ; vale a dire che 0,24 calorie equivalgono al lavoro risultante dall’applicazione di una forza pari a 1 kg-m /s 2 su una distanza di un metro.

La ragione per cui 1 kg-m2 /s 2 equivale a questo strano numero di calorie (0,24, per essere precisi) è dovuta al fatto che a metà dell’Ottocento i fisici avevano le idee confuse sull’energia, situazione che non è migliorata poi tanto negli anni successivi. Originariamente si definiva caloria un’unità di calore, poiché si pensava che il calore fosse una grandezza distinta da lavoro ed energia. Per questo motivo venne sviluppato un sistema di misurazione del calore, mentre per valutare l’energia cinetica e potenziale si impiegava un’unità diversa. Il primo fisico a capire che il calore era semplicemente un’altra forma di energia e il lavoro meccanico poteva essere trasformato direttamente in calore fu James Prescott Joule, che diede il nome all’unità standard di energia (1 Joule = 1 kg-m2 /s2 ). Mentre i fisici usano il Joule per quantificare l’energia cinetica o potenziale, noi ci atterremo al più ingombrante kg-m2 /s 2 per sottolineare l’importanza dei diversi fattori che entrano in gioco in qualsiasi determinazione dell’energia.

Va notato che la caloria del fisico non equivale a quella usata dal nutrizionista. Un fisico definisce una caloria come la quantità di energia necessaria per alzare di un grado Celsius la temperatura di un grammo d’acqua. Questo è un modo assolutamente valido, anche se arbitrario, di definire l’energia in laboratorio. Tuttavia questa definizione porta a osservare che un solo cracker lievitato contiene abbastanza energia per innalzare di un grado la temperatura di 24000 grammi d’acqua; ciò significa che per un fisico il contenuto energetico di un solo cracker equivale a 24000 calorie! Per evitare di avere sempre a che fare con numeri cosi grandi, si è stabilito che una caloria alimentare (o grande caloria, con simbolo kcal o Cal) corrisponde a mille calorie della fisica (dette anche piccole calorie, con simbolo cal). Dunque le 24 calorie alimentari contenute in un cracker in effetti equivalgono a 24000 calorie nella definizione utilizzata nei laboratori di fisica. Meno male, dato che è già abbastanza triste pensare alle circa cinquecento calorie alimentari presenti in un piatto di pasta. Se considerassimo che in realtà ne contiene 500.000, potremmo anche smettere di mangiare del tutto!

Per convertire in calorie alimentari l’energia cinetica di Flash, pari a 75 trilioni di calorie, dovremmo dividerla per mille. Va già meglio, tuttavia il nostro supereroe consumerà sempre 7 5 miliardi di calorie alimentari per correre all’1 per cento della velocità della luce. In altre parole, per riuscire a correre cosi velocemente dovrebbe mangiare 150 milioni di piatti di pasta (supponendo che il cento per cento dell’energia alimentare sia trasformata in energia cinetica). Se si ferma, l’energia cinetica va a zero e, per riuscire a correre di nuovo cosi forte, dovrà mangiarne altri 150 milioni. A un certo punto in «The Flash», a metà degli anni Ottanta, si ammise brevemente che per mantenere queste prestazioni il nostro velocista aveva bisogno di mangiare quasi costantemente (anche masticando a supervelocità) ed anche nel telefilm sono state inventate delle barrette “energetiche” speciali.

Nella Golden Age, nella Silver Age e ora, nella Modern Age, la conservazione dell’energia è opportunamente ignorata: oggi l’energia cinetica di Flash viene ascritta alla sua capacità di attingere alla «forza di velocità», detta Speed-Force, una fonte di energia extra-dimensionale infinita, il che è un modo fantasioso per dire: tranquilli, è soltanto un fumetto!!!

Fonti: La fisica dei supereroi – Kakalios James – Einaudi – 2007

One thought on “Supereroi 2

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...