Questo quiz-non quiz fa parte della serie "Minkowski per tutti". La soluzione è inserita in questo stesso articolo, ma sarebbe più interessante provare, prima di leggerla, a darla nei commenti, anche solo per esprimere le eventuali difficoltà incontrate.
Cerchiamo di risolvere un problemino facile facile solo graficamente. Un certo razzo puntiforme viaggia rispetto a noi che siamo nel sistema in quiete a una velocità di 0.6 c. Vi è anche un altro razzo che viaggia rispetto al primo a una velocità di 0.8 c. Quale sarà la velocità del secondo razzo rispetto a noi? Il problema è facilmente risolvibile con una ben nota formula, ma noi vogliamo provare a risolverlo solo con la geometria...
Sì, lo so, è un problemino che abbiamo già affrontato e risolto. Questa volta, però, bisogna risolverlo graficamente con il diagramma di Minkowski. Alla fine non avremo problemi a controllare il risultato con il calcolo matematico.
La figura da utilizzare è quella che segue (Fig. 1). Oltre alle unità di misura (anni e anni luce) è stata inserita l'iperbole di calibrazione per i tempi. Ovviamente potete aggiustare la scala a piacere...
Buon lavoro...
RISPOSTA
Chi vuole conoscere subito la risposta, non deve fare altro che schiacciare "mostra risposta" (invitiamo, però, chi conosce le basi della RR a provare, prima, da solo...)
Come far a disegnare l'asse del tempo t' del primo razzo? Essa viaggia a 0.6c rispetto a noi, il che vuol dire che in un anno deve aver percorso 0.6 anni luce (la luce percorre 1 anno luce in un anno). Non è certo difficile tracciare la retta t = 1 e intersecarla con quella x = o.6. troviamo il punto A che unito con O ci descrive l'asse del tempo t' (ossia la traiettoria di chi si muove a 0.6c rispetto a noi).
Il punto dove questa retta rossa interseca l'iperbole di calibrazione indica l'unità di tempo nel sistema t', ossia un anno di questo sistema. A questo punto dobbiamo tracciare l'asse x' relativo a l nuovo sistema. Facilissimo, dato che l'angolo φ che t' fa con t deve essere uguale all'angolo che x' fa con x. Queste sono le nuove coordinate dove dobbiamo tracciare la traiettoria del secondo razzo. Questa volta lui percorre 0,8 anni luce in un anno. Attenzione, però, l'anno lo dobbiamo misurare su t' e l'anno luce su x'. Il che vuol dire prendere il valore di 0.8 anni luce sul nuovo asse x' (facile da costruire perché l'unità di misura segue pari pari quella dei tempi) e tracciare la parallela a t' fino a incontrare la parallela a x' tracciata da t' = 1 anno.
Non abbiamo fatto altro che ripetere l'operazione eseguita nel sistema (x,t) per disegnare t', utilizzando questa volta gli assi x' e t' per disegnare t". La linea che congiunge il punto O con il nuovo punto intersezione B descrive l'asse del tempo t" di un oggetto che viaggia 0,8c rispetto al sistema di t'. Se vogliamo sapere la velocità di questa nuova traiettoria rispetto al sistema in quiete basta trovare il punto intersezione C tra il nuovo asse t" con la retta t = 1. Questo punto permette di misurare lo spazio percorso nell'unita di tempo, ossia proprio la frazione di anno luce percorso in un anno, ossia la velocità rispetto al sistema in quiete.
Traduciamo quanto detto in azione grafica, partendo dalla Fig. 1. In Fig, 2 tracciamo la retta x = 0.6 e troviamo l'intersezione A con la retta t = 1.
La congiungente O con A non è altri che l'asse t' del primo razzo (velocità v = 0.6 c). L'intersezione di t' con l'iperbole di calibrazione ci dona l'unità del tempo su t'. Riportando φ a partire dall'asse x, troviamo subito x' e, tracciando un cerchio di raggio uguale all'unità temporale, troviamo anche quella dell'asse spaziale.
Passiamo adesso alla Fig. 3.
Tracciamo da x' = 0.8 la parallela a t' e troviamo l'intersezione B con la retta parallela a x' passante per t' =1. Basta, ora, congiungere B con O e indicare con C l'intersezione di questa retta con la retta x = 1. La distanza tra l'asse t e C (misurata lungo la parallela a x) ci fornisce il valore della velocità del secondo razzo rispetto al nostro sistema in quiete.
Non è certo il metodo migliore per ottenere il risultato voluto, ma permette di prendere sempre più dimestichezza con il diagramma di Minkowski.
Ovviamente la formula della composizione della velocità ci darà la conferma della nostra approssimazione grafica.
Innanzitutto per determinare le unità di misura della prima astronave preferisco usare le intersezioni tra le linee parallele agli assi t' e x' con gli assi t e x (nei “punti” t = 1/γ e x= 1/γ).... non amo molto usare le curve di calibrazione...
Dopodiché per costruire l'asse t'' (ossia quello su cui si muove la seconda astronave) uso la linea di simultaneità parallela all'asse x' che corrisponde a t'=1 e quella parallela all'asse t' che corrisponde a x'=0,8... non resta che tracciare l'asse t'' che parte da 0 (t =0; t'=0; t'' =0 e x =0; x'=0; x' =0) e passa per l'incrocio tra l'asse x'=0,8 e t'=1....
D'altronde la velocità della seconda astronave misurata dal sistema della prima astronave non può che essere uguale a:
V = Δ x'/Δ t' = 0,8/1 = 0,8 c
Come mostra la figura una volta tracciato l'asse t'', basta usare la linea di simultaneità parallela all'asse x con t=1, quando questa interseca l'asse t'', partendo da questo “punto” basta tracciare la linea parallela all'asse t e trovare geometricamente il valore corrispondente di x.
In questo caso x = 0,946.
Pertanto la velocità della seconda astronave misurata dal sistema considerato in “quiete” non può che essere uguale a :
V = Δ x/Δ t = 0,946/1 = 0,946 c
Il medesimo risultato si ottiene usando la formula riferita alla composizione relativistica delle velocità:
u = (u’ + v)/(1 + vu’/c²)
dove:
u è la velocità della seconda astronave misurata dal sistema in “quiete”;
u' è la velocità della seconda astronave misurata dal sistema della prima astronave (0,8 c)
v è la velocità della prima astronave misurata dal sistema in “quiete” (0,6 c)
c = 1
u = (0,8 + 0,6)/(1 + 0,6 x 0,8/1²) = 1,4/1,48 = 0,9459 c
Ossia il medesimo risultato (arrotondato) ottenuto graficamente.
Ora non resta che controllare che il risultato sia corretto...
Un cosa interessante che si può dedurre dalla costruzione grafica è che qualunque siano le due velocità che si sommano (purché entrambe inferiori a c), la loro somma deve essere necessariamente inferiore a c perché la retta t'' per costruzione è sempre al di sopra della bisettrice.
3 commenti
Caro Enzo provo a rispondere con una sola figura.
Innanzitutto per determinare le unità di misura della prima astronave preferisco usare le intersezioni tra le linee parallele agli assi t' e x' con gli assi t e x (nei “punti” t = 1/γ e x= 1/γ).... non amo molto usare le curve di calibrazione...
Dopodiché per costruire l'asse t'' (ossia quello su cui si muove la seconda astronave) uso la linea di simultaneità parallela all'asse x' che corrisponde a t'=1 e quella parallela all'asse t' che corrisponde a x'=0,8... non resta che tracciare l'asse t'' che parte da 0 (t =0; t'=0; t'' =0 e x =0; x'=0; x' =0) e passa per l'incrocio tra l'asse x'=0,8 e t'=1....
D'altronde la velocità della seconda astronave misurata dal sistema della prima astronave non può che essere uguale a:
V = Δ x'/Δ t' = 0,8/1 = 0,8 c
Come mostra la figura una volta tracciato l'asse t'', basta usare la linea di simultaneità parallela all'asse x con t=1, quando questa interseca l'asse t'', partendo da questo “punto” basta tracciare la linea parallela all'asse t e trovare geometricamente il valore corrispondente di x.
In questo caso x = 0,946.
Pertanto la velocità della seconda astronave misurata dal sistema considerato in “quiete” non può che essere uguale a :
V = Δ x/Δ t = 0,946/1 = 0,946 c
Il medesimo risultato si ottiene usando la formula riferita alla composizione relativistica delle velocità:
u = (u’ + v)/(1 + vu’/c²)
dove:
u è la velocità della seconda astronave misurata dal sistema in “quiete”;
u' è la velocità della seconda astronave misurata dal sistema della prima astronave (0,8 c)
v è la velocità della prima astronave misurata dal sistema in “quiete” (0,6 c)
c = 1
u = (0,8 + 0,6)/(1 + 0,6 x 0,8/1²) = 1,4/1,48 = 0,9459 c
Ossia il medesimo risultato (arrotondato) ottenuto graficamente.
Ora non resta che controllare che il risultato sia corretto...
Paolo
sempre perfetto...
Un cosa interessante che si può dedurre dalla costruzione grafica è che qualunque siano le due velocità che si sommano (purché entrambe inferiori a c), la loro somma deve essere necessariamente inferiore a c perché la retta t'' per costruzione è sempre al di sopra della bisettrice.