CRIS I TA T LLIN I O

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1 OCCHIO UMANO La luce entra nell occhio attraverso la cornea, è rifratta dal cristallino e l immagine si forma sulla retina. Quest ultima non è per niente uniforme. Vi è una macchia, nel centro del campo visivo, nella quale abbiamo la maggior acutezza visiva: fovea o macula. Le parti laterali dell occhio non sono altrettanto efficenti, per vedere i particolari, come il centro. Vi è anche una macchia cieca, dove terminano i nervi.

2 CRISTALLINO

3 OTTICA DELLA VISIONE Parametrici fisici Indice di rifrazione Umor acque 1.34 Cristallino 1.43 Umor vitreo 1.34 Raggi di curvatura Cornea 0.8 cm L immagine si crea sulla retina Cristallino (ant) 1.0 cm Cristallino (post) 0.6 cm Diametro del globo oculare cm

4 ACCOMODAMENTO Si definisce accomodamentodell occhio la variazione del suo potere diottrico prodotta dalla tensione dei muscoli ciliari con conseguente variazione della curvatura del cristallino L accomodamento consente la formazione sulla retina di immagini nitide Punto remoto: distanza dell oggetto, quando i muscoli ciliari sono rilassati (infinito) Punto prossimo: distanza dell oggetto, quando i muscoli ciliari sono contratti al massimo (10 cm) Visione distinta: distanza minima dell oggetto, che consente la visone distinta senza eccessivo sforzo (25 cm)

5 DIFETTI VISIVI MIOPIA: sistema oculare troppo convergente (si corregge con lenti divergenti) IPERMETROPIA: sistema oculare poco convergente (si corregge con lenti convergenti)

6 DIFETTI VISIVI PRESBIOPIA: difficoltà a focalizzare oggetti vicini a causa della ridotta elasticità del cristallino (dovuta all età) ASTIGMATISMO: non perfetta sfericità della cornea, che presenta diversi raggi di curvatura zonali DALTONISMO: riduzione o assenza di sensibilità ad uno o più colori fondamentali

7 LA RETINA (1) Gli oggetti situati più densamente alla periferia della retina sono i fotorecettori detti bastoncelli. RETINA Avvicinandoci alla fovea aumenta la densità di un altro tipo di fotorecettori detti coni e nella fovea stessa ci sono solamente cellule coniche strettamente raggruppate. Ciascuno dei fotorecettori non è connesso con una fibra al nervo ottico, ma è collegato a quattro tipi di cellule nervose. Quest ultime vanno sia verso il nervo ottico, sia sono connesse orizzontalmente fra di loro. L U C E

8 LA RETINA (2) Il segnale luminoso è già pensato a livello dell occhio, nel quale avvengono, a livello della retina, alcuni fenomeni di funzione cerebrale.

9 Immagini: osservare e percepire (1) Il sistema visivo è un insieme di processi fisici e fisiologici che rendono disponibile all osservatore un mondo percepito, che tuttavia, in generale, sarà diverso da una rappresentazione completa e veridica del mondo fisico. In generale, la percezione visiva è una rappresentazione incompleta perché un sistema in grado di codificare tutte le proprietà degli oggetti esterni (e di farlo rapidamente, per offrire un efficace supporto all azione) sarebbe molto difficile da realizzare e forse, non del tutto conveniente.

10 Immagini: osservare e percepire (2) Consideriamo un esempio classico della parzialità della percezione visiva, il cosiddetto quadrato di Mach. Osserviamo la figura Pur essendo geometricamente identiche, le due forme appaiono diverse.

11 Immagini: osservare e percepire (3) Questa differenza dipende probabilmente dal modo in cui la forma viene rappresentata all interno del sistema visivo: non come una sorta di immagine fotografica (in tal caso dovrebbe valere l invarianza alla rotazione), ma come una descrizione strutturale riferita agli assi cardinali dello spazio percettivo. Nella forma a sinistra gli angoli retti sono salienti e l allineamento dei lati con la verticale e l orizzontale rende la struttura molto stabile; mentre nella forma di destra ciascun angolo appare come una punta di ampiezza non ben definita, orientata in una delle direzioni cardinali.

12 Immagini: osservare e percepire (4) La rappresentazione della forma, cioè la visione, non è semplicemente una foto, ma una rappresentazione nella quale convivono: i principi fisici dell ottica la fisiologia dei recettori e delle cellule nervose della retina la fisiologia del cervello

13 Immagini: osservare e percepire (5) A livello geometrico un quadrato gode di molte proprietà: quattro lati uguali e quattro angoli uguali (quindi retti), diagonali uguali bisecantesi ad angolo retto, diagonali coincidenti con le bisettrici degli angoli. A livello percettivo sono rappresentate solo alcune di queste proprietà, in funzione dell orientamento: nell orientamento canonico sono rappresentate le proprietà che il quadrato geometrico condivide con l insieme dei rettangoli (angoli retti e diagonali uguali ma non necessariamente bisecantesi ad angolo retto); in quello obliquo sono rappresentate le proprietà che il quadrato geometrico condivide con l insieme dei rombi (diagonali bisecantesi ad angolo retto ma non necessariamente uguali).

14 Immagini: osservare e percepire (6) Il quadrato di Mach è anche un buon esempio di percezione non veridica (oltre che incompleta). La forma di destra appare più grande di quella di sinistra, probabilmente perché la grandezza percepita dipende in qualche modo dall ingombro degli attributi salienti, che sono sempre gli elementi allineati con gli assi cardinali (lati a sinistra e diagonali a destra). Nel quadrato di Mach si produce un illusione della grandezza visiva.

15 Immagini: grandezza di un oggetto Nell illusione di Ebbinghauss, un cerchio sembra più o più piccolo a seconda delle dimensioni dei cerchi che lo circondano.

16 Immagini: effetto Thatcher Nell effetto Thatcher, un ritratto capovolto sembra normale, ma risulta alterato se lo raddrizziamo.

17 COLORE & INTENSITA (1) Un fenomeno interessante è l adattamento dell occhio al buio. Se entriamo nel buio da una zona fortemente illuminata, non possiamo vedere bene per un po, ma gradualmente le cose appaiono sempre più visibili e finalmente possiamo vedere qualcosa dove non avevamo potuto vedere niente prima. Se l intensità della luce è molto bassa, le cose che vediamo non hanno colore. Questa visione, con adattamento al buio, è dovuta quasi eslusivamentea i bastoncelli, mentre la visione nella luce brillante è dovuta ai coni.

18 Nebulosa ad Anello (4100 a.l.) COLORE & INTENSITA (2) Nebulosa del Granchio (6500 a.l.)

19 COLORE & INTENSITA (3) Il picco di sensibilità dei coni è nel giallo. Il picco di sensibilità dei bastoncelli è nel verde. Una cosa rossa (λ~650 nm) possiamo vederla se è molto illuminata, ma è praticamente invisibile nell oscurità. CONI BASTONCELLI

20 EFFETTO PURKINJE Due pezzi di carta colorata, rossa e blu, in cui il rosso appare più luminoso del blu in buona luce, appariranno, nell oscurità, completamente invertiti. CONI BASTONCELLI

21 CONI & BASTONCELLI I coni ed i bastoncelli non sono uniformemente distribuiti nella retina: (1) non ci sono bastoncelli nella fovea; (2) la densità dei coni diminuisce andando ai lati del campo di vista. La periferia della retina è molto sensibile al moto e quindi per oggetti che sono visti con la coda dell occhio, la visione non è nitida, ma l allerta è rapida. Dentro di noi le connessioni sono fatte in modo da accorgersi velocemente se qualcosa si agita a lato del campo visivo.

22 MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (1) Consideriamo la visione con i coni e la loro caratteristica principale: il colore. Come sappiamo, la luce bianca può essere separata da un prisma in un intero spettro di lunghezze d onda che ci appare composta di differenti colori; questo è quello che i colori sono, naturalmente: apparenze. I diversi colori dipendono dalla distribuzione spettrale della luce.

23 MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (2) Tre differenti luci colorate, non importa quali (*), possono essere mischiate nella giusta proporzione per produrre qualsiasi colore (*) Tranne se uno dei tre può essere ottenuto mescolando gli altri due.

24 MISURA DELLA SENSAZIONE DEL COLORE (3) R V B C = α R+ βv + γ B

25 PIGMENTI E DALTONISMO (1) Per la biofisica della visione del colore, la teoria più semplice, proposta da Young e Helmholtz, suppone che nell occhio vi siano tre diversi pigmenti con diversi spettri di assorbimento. Sappiamo che vi sono persone daltoniche (~8% della popolazione maschile e ~0.5% di quella femminile), che hanno una alterata percezione del colore. Ci sono dei daltonici che si chiamano dicromatici, per i quali qualsiasi colore è costruito con solamente due colori primari.

26 PIGMENTI E DALTONISMO (2) L idea più ovvia è che i daltonici dicromatici siamo privi di uno dei tre pigmenti. Se è così devono esistere tre tipi di daltonici dicromatici. Esistono tre tipi di daltonismo dicromatico: 1.protanope confonde il rosso con il verde ed anche con il blu (comune) 2.deuteranope confonde il rosso con il verde (comune) 3.tritanope confonde il giallo con il blu (molto raro)

27 PIGMENTI E DALTONISMO (3) Le persone dotate di normale capacità di discriminazione dei colori, nei riquadri leggono rispettivamente i numeri: 42, 37 e 58. Quelle affette dalle più comuni forme di daltonismo leggono: 2, 7, 58.

28 PIGMENTI E DALTONISMO (4) Il primo pigmento scoperto è la porpora retinica, che si trova nell occhio di tutti i vertebrati e la cui curva si sensibilità praticamente si sovrappone a quella dell occhio adattato al buio. Questo è il pigmento dei bastoncelli e non ha niente a che vedere con la visione del colore. Intorno agli anni 70 sono stati scoperti due pigmenti relativi a coni ed è stato scoperto il pigmento mancante per l occhio protanope. I lavori fatto sull occhio deuteranope non mostrano la mancanza di un definito pigmento.

29 PERCEZIONE DEL COLORE (1) Studi condotti (2009) dagli scienziati cognitivi mostrano che linguaggio e percezione dei colori sono strettamente connessi. L'idea che la lingua parlata possa influire sulla percezione è tutt'altro che recente: venne infatti avanzata per la prima volta da Sapir e Whorf nel L'Ipotesi di Sapir-Whorf (SWH), altresì conosciuta come ipotesi della relatività linguistica, afferma che la categorizzazione linguistica non sia solo frutto del nostro modo di organizzare l'esperienza, ma ne è, al contempo, la discriminante: chi, infatti, "conosce" linguisticamente il mondo in un certo modo ne sarà influenzato di conseguenza, ovverosia il modo di esprimersi influenza il modo di pensare.

30 PERCEZIONE DEL COLORE (2) Ora abbiamo prove sicure di tale connessione. Usando tecniche di imaging neuronale, siamo riusciti a mostrare che le regioni cerebrali che mediano i processi linguisitici partecipano alle reti neuronali attivate da decisioni percettive. In funzione della lingua parlata, a dei soggetti viene chiesto di decidere se due quadrati siano dello stesso colore. Alcuni quadrati sono colorati con una tinta facile da nominare (come "rosso" o "blu") ed altri con colori per i quali l'attribuzione di un nome appare più difficile.

31 PERCEZIONE DEL COLORE (3) I risultati ottenuti con la tecnica di neuro-imaging, hanno mostrato che la percezione di entrambi i tipi di colore coinvolge le stesse regioni corticali notoriamente associate alla visione dei colori. Tuttavia, la percezione dei colori facili da nominare evoca, rispetto a quelli "difficili", un'attivazione molto più forte di due ulteriori aree che sono responsabili della ricerca delle parole, suggerendo che per i colori che abbiano un proprio specifico nome in una certa lingua ci sia uno stretto legame fra elaborazione del linguaggio e percezione dei colori. Se nella lingua parlata dal soggetto, esistono due nomi per i due colori a confronto il riconoscimento è più rapido e soprattutto più sicuro, rispetto al caso nel quale non ci sia una differenza linguistica.

32 Effetto Stroop: un illusione del colore Si mostrano parole che descrivono colori semplici scritte in colori non corrispondenti e si chiede di dire rapidamente di che colore sono le parole. La funzione complessa comprensione ha priorità sulla funzione apparentemente semplice del riconoscimento dei colori.

33 VISIONE (1) La messa a fuoco della luce è fatta principalmente dal sistema cornea-cristallino. La cornea devia la luce verso l asse ortogonale ad essa, cioè verso la zona della fovea. Il cristallino è una lente convergente che si restringe o si allarga cambiando fuoco e permettendo quindi il formarsi sulla retina di immagini di oggetti che si trovano a distanze diverse dal cristallino stesso. L iride (il cosiddetto colore dell occhio) stringendosi o allargandosi regola la quantità totale di luce all interno dell occhio.

34 VISIONE (2) Alcune delle fibre del nervo ottico (A) non vanno direttamente alla corteccia visiva del due emisferi cerebrali (B), ma entrano nel cervello medio (H) e ritornano all occhio. Queste fibre misurano 1)la luce media e regolano l iride 2)se l immagine è confusa regolano il cristallino 3)se l immagine è doppia regolano la visione binoculare

35 VISIONE (3) L iride ha due sistemi di muscoli: un muscolo circolare (L) che chiude l iride; esso agisce rapidamente ed è connesso con brevi fibre al cervello (sistema parasimpatico); muscoli radiali (S) che tirano e fanno dilatare l iride; essi agiscono lentamente e sono connessi con lunghe fibre che provengono dal tratto toracico del midollo spinale (sistema simpatico).

36 Alcune delle fibre del nervo ottico del lato sinistro dell occhio destro corrono attraverso il chiasma ottico (B), mentre quelle del lato sinistro dell occhio sinistro curvano e fanno la stessa strada. Il lato sinistro del cervello riceve le informazioni che provengono dal lato sinistro di ciascun bulbo oculare, cioè dal lato destro del campo visivo, mentre il cervello destro fa il contrario. VISIONE (4)

37 GLI OCCHI COMPOSTI (1) Gli insetti hanno come organi per la visione i cosiddetti occhi composti. Essi sono costituiti da più unità ottiche autonome coordinate detti ommatidi, ognuno dei quali costituito da una corniola trasparente prodotta da cellule specializzate dell'epidermide, un cristallino anch'esso secreto da cellule epidermiche e con al di sotto otto neuroni vicini a formare un cilindro "retinula" sensibile alla luce. Il numero degli ommatidi varia a seconda della specie da uno a

38 GLI OCCHI COMPOSTI (2) Negli insetti diurni ogni ommatide è completamente isolato dagli altri in modo che ogni unità percepisce un immagine di poco diversa dall'altro, si viene a formare così un mosaico di minuscole immagini tanto più definito quanto più sono gli ommatidi: questo tipo di visione viene detto per apposizione. Negli insetti notturni invece l'occhio è strutturato per ricevere più luce possibile, la luce che penetra in un ommatide può essere captata anche dall'organo visivo adiacente come raggio obliquo perché riflesso da cellule pigmentate che rivestono l'interno degli organi visivi: questo tipo di visione viene chiamata per superposizione.

39 GLI OCCHI COMPOSTI (3) La percezione dei colori non è la stessa che si nota nei vertebrati. Per esempio un ape riesce a vedere differenze di colori da 650 a 300 nm con notevole attenzione per gli ultravioletti, mentre un uomo vede da 800 a 400 nm Un fiore visto dall occhio umano.....ed ecco come un ape vede lo stesso fiore, meno definito ma grazie alla sensibilità agli ultravioletti riesce a vedere le linee guida che conducono l insetto verso il nettare.

40 ALTRI OCCHI Tutti gli invertebrati hanno occhi scarsamente sviluppati o occhi composti, ma tutti i vertebrati hanno occhi molto simili al nostro. Una notevole eccezione è il polipo. Esso ha un occhio uguale. In esso la retina è una parte del cervello che è uscita, nello stesso modo dei vertebrati, durante lo sviluppo embrionale, ma in essa le cellule sensibili alla luce sono all interno e le cellule che fanno il calcolo sono dietro di esso e non a rovescio come nel nostro caso. L U C E L U C E

41 TEMPERATURA E GAS (1) Le masse degli atomi sono usualmente misurate in una scala (uma) nella quale la massa del carbonio 12 C è uma = Kg Si definisce mole la quantità di sostanza la cui massa espressa in grammi è numericamente eguale agli uma. M ( CO ) 2 = M ( C) + 2M ( O) = 44 uma = Una mole di CO 2 pesa 44 gr molecole

42 TEMPERATURA E GAS (2) Nella Termodinamica si cerca di costruire un modello al quale applicare i tre Principi della Dimanica (inerzia, forza ed azione&reazione) per calcolare le tre osservabili cinematiche: spazio, velocità ed accelerazione. Dalla meccanica sappiamo che occorre conoscere le condizioni al contorno (spazio e velocità iniziali) e risolvere

43 Siamo di fronte ad una impossibilità, non teorica, ma pratica di risolvere, con gli strumenti della meccanica il problema termodinamico. In un anno ci sono = Supponiamo di riuscire, usando un computer, a risolvere 1000 F=ma al secondo, quindi in un anno risolviamo 10 3 equazioni/s s/anno = s equazioni/anno Per risolverne un numero di Avogadro ci impiegheremmo equazioni equazioni/anno 2 10 anni Eta stimata dell Universo anni

44 MICRO MACRO Si rinuncia ad una rappresentazione puntuale del Sistema (perché occorrerebbe risolvere F=ma) e si ricorre ad una rappresentazione media dello stato del sistema, cioè si usano variabili globali, macroscopiche dette variabili di stato Volume Posizione Pressione Forza

45 TEMPERATURA (1) Un altra importante variabile di stato è la

46 TEMPERATURA (2) Il corpo umano percepisce le variazioni di temperatura con le sensazioni di caldo e freddo Molte grandezze fisiche variano al variare della temperatura volume dei corpi pressione di un gas viscosità di un liquido resistenza elettrica È possibile usare una di queste grandezze fisiche per definire e misurare la temperatura

47 ESPANSIONE TERMICA Quasi tutti i corpi si dilatano V = V (1 + βθ ) quando la temperatura aumenta 0 β è il coefficiente di espansione cubica (di volume) Sfruttando queste proprietà si può misurare la temperatura, ad esempio con termometro a mercurio: cioè un tubo di vetro riempito di mercurio. Quando sale la temperatura θ il volume del mercurio cresce molto più rapidamente di quello del vetro β >> β Hg vetro

48 MISURA DELLA TEMPERATURA C Per la misura della temperatura si usa il termometro: un bulbo riempito di mercurio che può espandersi in un capillare di vetro Al variare della temperatura del bulbo il mercurio di espande nel capillare e le sue variazioni di lunghezza sono tradotte in misura della temperatura La temperatura del corpo umano si misura con i termometri "a massima"

49 SCALE TERMOMETRICHE PUNTI FISSI CELSIUS FARENHEIT ghiaccio fondente 0 o C 32 o F acqua bollente 100 o C 212 o F F C cambiamenti di scala Farenheit Celsius 9 θ F = 32 + θ C 5

50 ACQUA L acqua ha un comportamento anomalo: 0 o C 4 o C β è negativo 4 o C β è positivo V = V (1 + βθ 0 ) volume densità g/cm cm 3 cm 3 V V 0 V 0 V T ( C) Il suo volume decresce con l aumentare della temperatura fino a 4 o C e poi aumenta all aumentare della temperatura. La densità ha un andamento speculare.

51 VITA ACQUATICA Consideriamo un lago d inverno; l acqua superficiale comincia a raffreddarsi e quando raggiunge la temperatura di 4 o C, avendo la densità massima, scende verso il basso e quindi l acqua profonda sale verso la superficie. L acqua che scende è ricca di ossigeno assorbito in superficie. Quando il mescolamento è completo e tutto il lago si trova a 4 o C, l acqua superficiale continua a raffreddarsi e si crea il ghiaccio che, avendo una densità minore dell acqua, galleggia. Quindi i laghi ghiacciano dalla superficie verso il basso e quindi in tal modo la vita acquatica può continuare, almeno fino alla completa solidificazione del lago, utilizzando acqua ricca in ossigeno.