SOLE TERRA LUNA Percorso didattico A cura di Cosetta Bigalli

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1 COMUNE DI BOLOGNA CULTURA LABORATORIO PER LA DIDATTICA SOLE TERRA LUNA Percorso didattico A cura di Cosetta Bigalli

2 SOLE TERRA LUNA I moti della Terra e della Luna e le loro conseguenze Giovanna Fortuzzi Docente di Fisica agli Istituti Aldini-Valeriani e Sirani La Terra e la Luna come gli altri corpi del sistema solare nel loro movimento di rivoluzione attorno al Sole descrivono orbite di forma ellittica. Quella tracciata dalla Terra detta eclittica perché lungo di essa avvengono le eclissi di Sole e di Luna nel planetario è contrassegnata da una sequenza di puntini rossi sul vetro della cupola. Il piano ideale su cui si trova l'eclittica passa attraverso il centro della Terra e del Sole. Fuori del sistema solare si trovano le stelle dette fisse perché in virtù della loro enorme distanza ci appaiono sempre nella stessa posizione nonostante la Terra si sposti nell'arco di sei mesi di circa 300 milioni di chilometri. Per gli antichi le stelle formavano raggruppamenti chiamati costellazioni in cui la particolare disposizione degli astri suggeriva immagini spesso di animali. Pur riconoscendo l'assoluta casualità di questi raggruppamenti anche oggi continuiamo ad usare i nomi delle costellazioni per comodità di riferimento. Particolarmente significativo perché si trova in una fascia tutta intorno all'eclittica è il gruppo di costellazioni dello zodiaco che in greco significa figure di animali, nel planetario rappresentate nella parte circolare interna per consentire al pubblico la visione. Nel corso di un anno diciamo che il Sole si sposta dall'una all'altra costellazione. In realtà è la Terra che nel suo moto di rivoluzione percorre la fascia dello zodiaco. Quando il Sole si trova in una costellazione ad esempio nello Scorpione la Terra si trova nella costellazione opposta ad esempio nel Toro e durante la notte è possibile vederla. I moti della Terra, del Sole e della Luna sono relativi, cioè dipendono dal punto preso a riferimento. Stando sulla Terra, questa ci sembra ferma e vediamo muovere il Sole e la Luna. Dalla Luna vedremmo muovere il Sole e la Terra. Dalle stelle fisse il punto di osservazione di chi guarda il planetario nessuno resta fermo: cioè tutti gli astri si muovono su loro stessi e attorno al Sole. I moti della Terra e della Luna Il Sole ruota su se stesso in senso antiorario ed un punto del suo equatore impiega 25 giorni terrestri a compiere una rotazione. La Terra ha un moto di rotazione su se stessa in senso antiorario, attorno ad un asse ideale che passa attraverso i poli geografici. Rispetto al piano dell'eclittica, l'asse di rotazione è inclinato di circa 66. Per compiere un'intera rotazione la Terra impiega 24 ore e un punto che si trovi all'equatore si muove alla velocità di 1600 chilometri all'ora, cioè 440 metri al secondo. Nel planetario la Terra sta ruotando alla frequenza di 6 giri al secondo.

3 La Terra ha anche un moto di rivoluzione attorno al Sole che esegue in senso antiorario mantenendo sempre parallelo a se stesso il proprio asse di rotazione. Per compiere un intero giro dell'eclittica impiega 365 giorni e 4 ore, muovendosi alla velocità media di circa chilometri all'ora, cioè 30 chilometri al secondo. Nel planetario la Terra sta compiendo una rivoluzione alla frequenza di 1 giro al minuto. La Luna compie un moto di rotazione su se stessa e uno di rivoluzione attorno alla Terra, entrambi in senso antiorario in tempi uguali, circa 28 giorni, muovendosi alla velocità di 3700 chilometri all'ora, cioè circa 1 chilometro al secondo. Assieme alla Terra la Luna compie un moto di rivoluzione attorno al Sole, impiegando lo stesso tempo della Terra e muovendosi alla stessa velocità. In questo moto di spostamento lungo l'eclittica, l'orbita della Luna mantiene sempre la stessa inclinazione ma ruota su se stessa. Le conseguenze dei moti La notte e il dì Il moto di rotazione della Terra attorno al proprio asse ha come conseguenza l'alternarsi del dì e della notte. Ma la durata del dì e della notte, cioè dei periodi di illuminazione e di oscurità, dipende dal moto di rivoluzione e dal parallelismo dell'asse terrestre. A causa della grande distanza dal Sole, i raggi che arrivano sulla Terra possono essere considerati paralleli tra loro e per ogni istante illuminano metà del globo. Il circolo di illuminazione la circonferenza che delimita l'emisfero illuminato da quello in ombra durante l'anno assume posizioni diverse. Questo è dovuto al fatto che l'asse di rotazione terrestre non è perpendicolare all'eclittica e si sposta attorno al Sole mantenendosi sempre parallelo a se stesso. Quando la Terra il 21 marzo - si trova in questo punto chiamato equinozio di primavera, i raggi del Sole colpiscono perpendicolarmente l'asse terrestre, per cui il circolo di illuminazione passa esattamente attraverso i poli. Quindi il dì e la notte hanno eguale durata per tutti i punti della Terra, sia per l'emisfero nord (il nostro) che per quello sud. Spostandosi dall'equinozio la situazione cambia e noi la descriveremo facendo riferimento all'emisfero nord, tenendo presente che per l'altro emisfero è esattamente il contrario. Proseguendo nel moto di rivoluzione inizia un progressivo allungamento del dì ed un accorciamento della notte. Osservate cosa accade al circolo polare artico. Il 21 giugno, solstizio d'estate, il circolo di illuminazione taglia a metà solo l'equatore, dove la notte e il dì hanno eguale durata per tutto l'anno. In questo punto il dì ha la durata massima. Al circolo polare artico il Sole resta sull'orizzonte per tutto il giorno.

4 Andando oltre, la durata del dì incomincia ad accorciarsi e quella della notte ad allungarsi fino a giungere il 23 settembre all'equinozio d'autunno in cui notte e dì hanno nuovamente la stessa durata come per l'equinozio di primavera. Poi il dì continua ad accorciarsi e la notte ad allungarsi fino a giungere il 21 dicembre al solstizio d'inverno, quando il dì ha la minima durata. Nel circolo polare artico per tutto il giorno non si vede mai il Sole. Allontanandosi da questo punto il dì ricomincia ad allungarsi ne la notte ad accorciarsi fino a giungere di nuovo all'equinozio di primavera in cui notte e dì hanno la stessa durata e il ciclo annuale ricomincia.

5 Le stagioni Il moto di rivoluzione della Terra e l'inclinazione dell'asse terrestre rispetto all'eclittica provocano le diverse stagioni dell'anno. Il fattore determinante è dato dall'insolazione cioè dalla quantità di energia proveniente dal Sole che arriva sulla Terra. Tale quantità è diversa a seconda dell'inclinazione dei raggi solari. Quando i raggi colpiscono perpendicolarmente la superficie della Terra è massima. Quando i raggi sono radenti alla superficie terrestre è minima. Poiché l'asse terrestre mantiene costante la propria inclinazione e si sposta sempre parallelamente a se stesso, i raggi solari colpiscono la superficie terrestre con inclinazioni diverse nei diversi punti dell'eclittica e nelle diverse zone della Terra. Siamo ora nel solstizio d'estate: all'equatore questa inclinazione è di 66 rispetto alla superficie terrestre; al tropico del Cancro, cioè all'altezza dell'africa del Nord, l'inclinazione è di 90 ; alle nostre latitudini è di 68 ; al circolo polare artico è di 46 e il Sole rimane sempre sopra la linea dell'orizzonte. Questo è il periodo dell'anno in cui massima è l'insolazione e comincia l'estate, anche se il periodo più caldo dell'anno si ha nella seconda metà di luglio, quando l'insolazione ha già cominciato a diminuire. Un ritardo dovuto al fatto che la Terra assorbe lentamente l'energia e altrettanto lentamente la restituisce (parecchio tempo dopo la massima insolazione). Al solstizio d'inverno la situazione è diametralmente opposta: all'equatore l'inclinazione è di 66 ; al tropico del Cancro è di 43 ; alle nostre latitudini è di 21 ; al circolo polare artico il Sole rimane sotto la linea dell'orizzonte; al Polo Nord è buio. Al solstizio d'inverno si ha la minima insolazione. Le fasi lunari La Luna è l'unico satellite naturale della Terra. Non emette luce propria ma riflette la luce proveniente dal Sole. Ha un moto di rotazione su se stessa che avviene nello stesso periodo di tempo, 28 giorni, in cui compie una rivoluzione attorno alla Terra: per questo ci rivolge sempre la stessa faccia. Assieme alla Terra la Luna compie un moto di rivoluzione attorno al Sole (traslazione). L'inclinazione dell'orbita lunare rispetto al piano dell'eclittica fa sì che nel corso dei 28 giorni in cui si compie la rivoluzione, la Luna assuma posizioni diverse e che diverso appaia alla Terra il contorno della parte illuminata: sono queste le fasi lunari.

6 La fase di Luna nuova si ha quando la faccia a noi rivolta non riceve luce dal Sole ed è quindi oscura. In questa situazione la Luna non è visibile ma si limita a riflettere un po' della luce, detta cinerea, proveniente dalla Terra. Spostandosi da questa posizione, la faccia a noi rivolta comincia a essere sempre più illuminata dal Sole fino a giungere in questo punto detto primo quarto quando è illuminata metà della faccia. Proseguendo l'illuminazione aumenta. Nel punto opposto a quello della Luna nuova la faccia è completamente illuminata: ed è Luna piena: Successivamente la faccia a noi rivolta comincia a entrare in ombra. Quando arriva all'ultimo quarto è illuminata solo per metà. Poi l'illuminazione diminuisce ulteriormente fino a giungere nuovamente al punto di Luna nuova. Ciascuna delle fasi lunari dura circa 7 giorni, quindi alla fine del ciclo sono trascorsi circa 28 giorni. Le eclissi Nel corso dei 28 giorni in cui compie la rivoluzione attorno alla Terra, la Luna attraversa il piano dell'eclittica 2 volte, in punti detti nodi. Quando la Luna si trova in uno di questi, Sole, Terra e Luna sono sullo stesso piano e se allineati si hanno le eclissi, cioè può succedere che la Luna copra il Sole o che la Terra copra la Luna. Per 2 volte al mese la Luna si trova sullo stesso piano di Sole e Terra, però solo raramente si determinano le condizioni delle eclissi. Quando la Luna è in questa posizione si ha l'eclissi di Sole. Il cono d'ombra della Luna interessa solo una parte della Terra e solo da lì è possibile vedere l'eclisse.

7 Quando la Luna è in quest'altra posizione si ha l'eclisse di Luna, che è visibile da tutti i punti della Terra rivolti verso la Luna. Se l'allineamento di Sole, Terra e Luna non è esatto si possono avere delle eclissi solo parziali. PER SAPERNE DI PIU'' Sfera celeste La cupola del planetario rappresenta la sfera celeste apparente, cioè quella sfera di raggio indeterminato nel cui centro si trova l'occhio dell'osservatore e sulla cui superficie si è soliti proiettare le stelle del cielo. Nell'antichità era saldamente radicata la convinzione che non fosse solo una costruzione concettuale astratta per facilitare lo studio dei fenomeni celesti, ma avesse un'esistenza reale, fisica. Si credeva che questa volta materiale ruotasse attorno all'asse della Terra e che le stelle fisse fossero incastonate sulla sua superficie interna. Moto di rotazione È un moto uniforme che la Terra compie intorno al proprio asse in senso Ovest-Est. Prove: esperienza del pendolo di Leon Foucault;

8 deviazione delle correnti; forza centrifuga (massima all'equatore uguale a 0 ai Poli) con la conseguenza dello schiacciamento della Terra; analogia con altri pianeti. Conseguenze: Velocità: Durata: alternarsi del dì e della notte; moto apparente diurno del Sole e della sfera celeste. all'equatore 465 m/sec ai Poli 0 m/sec giorno solare medio è una unità di misura grossolanamente irregolare: corrisponde alla media della durata di tutti i giorni solari dell'anno; l'ora è la sua ventiquattresima parte. 1 giorno solare medio: 24 h 3 m 56s,555 Moto di rivoluzione È un moto vario che la Terra compie attorno al Sole percorrendo un'orbita ellittica di 940 milioni di chilometri. Prove: aberrazione della luce stellare (fenomeno ottico dipendente dallo spostamento nello spazio dell' osservatore terrestre); moto apparente annuo delle stelle sulla sfera celeste (dovuto al moto simultaneo della luce stellare e della Terra); analogia con altri pianeti. Conseguenze: differenza tra giorno solare (intervallo tra due culminazioni, cioè punti più alti sull'orizzonte, successive del Sole sullo stesso meridiano) e giorno sidereo (intervallo tra due culminazioni di una stella che non sia il Sole sullo stesso meridiano). Il giorno sidereo è più breve di quello solare ed è la durata effettiva di una rotazione (23 h 56 m 4 s,091) ; avvicendarsi delle stagioni. Velocità: la velocità media con cui il sistema Terra-Luna percorre l'orbita è di 29,8 km/sec. Durata: l'anno tropico o solare dura 365 giorni, 6 ore, 9 minuti primi, 10 secondi.

9 Ricerche iconografiche e testi Cosetta Bigalli Laboratorio per la didattica In copertina: il sistema Sole-Terra-Luna nel modello didattico costruito da Sebastiano Zavaglia nel 1855 per l'esposizione Agricolo Industriale organizzata dall'accademia delle Belle Arti di Bologna ed oggi esposto al Museo del Patrimonio Industriale.

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