Motore a luce

Il radiometro di Crookes, o motore a luce, è uno strumento atto a misurare l’intensità di energia che viene trasportata dalla luce. Questo strumento consta, essenzialmente, di un mulinello a bassissimo attrito contenuto in un’ampolla al cui interno vi è un gas a bassa pressione.

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Come è facilmente osservabile, le pale del mulinello sono di colore diverso sui due lati: una parte è argentata e riflettente, il retro è di colore nero opaco. Quando la luce colpisce la faccia argentata essa viene riflessa, mentre quando colpisce la parte opaca viene (in buona parte) assorbita. Le due facce della pala del mulinello verranno riscaldate in modo differente a causa del differente grado di assorbimento dell’energia luminosa incidente sopracitato: la faccia scura (assorbente) si riscalda maggiormente rispetto alla faccia argentea (riflettente).

Quando le molecole del gas contenuto all’interno dell’ampolla urtano le facce chiare, a bassa temperatura, rimbalzano indietro con velocità più bassa rispetto alla velocità con cui rimbalzano le molecole che impattano contro le facce scure, a maggior temperatura. Per questo motivo le spinte che le molecole del gas ricevono dalla faccia argentea sono minori delle spinte che ricevono le molecole del gas da una faccia scura. Secondo il terzo principio della dinamica, che impone che ad ogni azione esista una reazione uguale e contraria, le spinte che le molecole del gas danno alla faccia chiara sono minori di quelle fornite alla faccia scura. La conseguenza di questa disparità di spinte sulle facce di una pala è un momento delle forze che pone in rotazione il mulinello, con le facce riflettenti che precedono le facce opache.  

Nota: è molto importante che il gas all’interno dell’ampolla sia a bassa pressione altrimenti la rotazione sarebbe impedita dall’eccessivo attrito viscoso del gas stesso. Tuttavia se il gas fosse estremamente rarefatto si perderebbe l’effetto di rotazione in questo verso: il mulinello dovrebbe infatti girare nel verso opposto a causa della “pressione della luce”.  Diverrebbero infatti trascurabili gli effetti degli urti sulle superfici dovuti alle molecole d’aria, mentre diventerebbero significativi quelli dovuti all’urto dei fotoni. Nella costruzione di questo strumento è cruciale, quindi, lasciare all’interno del radiometro la giusta quantità di gas.

Approfondimenti

Dal Quaderno 4 – I giocattoli e la scienza – La fisica nella scuola:

Video del PSSC “La pressione della luce”

 

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