Al rallentatore

La storia delle riprese rallentate è iniziata ancor prima dell’invenzione del cinematografo. Il pioniere in questo campo è stato il fotografo inglese Eadweard Muybridge, i cui lavori sono attualmente in mostra a Milano.

Muybridge usava la fotografia per studiare il movimento umano e animale. Per esempio, c’è un momento in cui le zampe di un cavallo al galoppo sono tutte staccate da terra? Tutti ritenevano di sì, ma il fenomeno è troppo rapido per poter giudicare in modo affidabile a occhio nudo.

Con una serie di macchine fotografiche affiancate, e un ingegnoso sistema meccanico per far scattare i diversi otturatori all’istante giusto, Muybridge produsse nel 1878 sequenze di immagini che mostravano la risposta, risolvendo l’arcano.

Le zampe del cavallo, effettivamente, si staccano tutte da terra. Ma non nel momento di massima estensione, come faceva pensare l’intuito, bensì nella posizione opposta, quando si raggruppano sotto il ventre dell’animale:

Per mostrare al pubblico questa sequenza, Muybridge progettò e costruì lo zoopraxiscopio, un precursore del sistema di proiezione cinematografico.

 

Oggi le riprese ad alta risoluzione temporale sono uno strumento standard per lo studio della biomeccanica; su YouTube si trovano innumerevoli video dedicati, per esempio, al volo degli insetti e al volo degli uccelli.

Un caso curioso è quello del basilisco. Per i fan di Harry Potter, il basilisco è un serpentone che uccide chi lo guarda direttamente negli occhi. Ma la natura qui ha superato JK Rowling quanto a fantasia: Basiliscus basiliscus infatti è una lucertola capace di correre sull’acqua, tanto da guadagnarsi il soprannome di lagarto Jesucristo nei Paesi latinoamericani in cui è diffusa.

Le riprese al rallentatore, effettuate anche in laboratorio, aiutano a capire che cosa renda possibile questo «miracolo» del basilisco:

Non si tratta di un effetto della tensione superficiale: diversamente dagli insetti come idrometre e gerridi, o dai piccoli vertebrati come il geco pigmeo brasiliano, il basilisco è troppo pesante per poter approfittare di questa proprietà dell’acqua. Come mai allora non affonda?

Il basilisco «pedala» ad alta frequenza (8 volte al secondo) con le zampe posteriori, sbattendo con forza sull’acqua i larghi piedi piatti. In queste condizioni l’acqua si comporta come se fosse molto viscosa, quasi solida, e per la terza legge della dinamica risponde con una forza di reazione che bilancia il peso dell’animale.

In qualche misura il fenomeno è simile a quello che rende possibile lo sci d’acqua; e se si va abbastanza veloci, si riesce persino a sciare sull’acqua a piedi nudi. Ma più ancora la corsa del basilisco ricorda lo spettacolare comportamento dei fluidi non newtoniani, come la miscela di acqua e amido di mais, su cui si può camminare senza affondare, a patto di non fermarsi.

E noi, potremmo mai correre sull’acqua? Un gruppo di scienziati italiani ha studiato la questione in modo sistematico, ispirandosi al prodigioso basilisco, con calcoli teorici ed esperimenti in cui persone sospese sopra una piscina mulinavano le gambe alla massima velocità possibile, indossando pinne di varie dimensioni.

La conclusione è che sulla Terra l’impresa è impossibile; ci si potrebbe riuscire sulla Luna, dove la forza di gravità è ridotta a un sesto della nostra. Questo studio nel 2013 ha vinto il premio IgNobel, destinato a quelle ricerche che «di primo acchito fanno ridere, ma poi fanno riflettere».

 

Un’altra applicazione delle riprese rallentate è nello studio dei materiali, in particolare di come si spezzano quando sono sottoposti a un carico di rottura superiore a un certo limite.

Come fanno per esempio gli esperti di arti marziali a rompere blocchi di cemento a mani nude, senza spezzarsi le ossa? Questo video aiuta a capire la dinamica del gesto:

Oppure, perché uno spaghetto piegato dalle estremità si spezza in tre parti? Il fenomeno è facile da riprodurre in cucina: a volte lo spaghetto si romperà in più di tre parti, ma quasi mai in due soli pezzi, come invece ci si aspetterebbe.

Questa bizzarra proprietà della pasta cruda aveva a quanto pare incuriosito anche il grande fisico Richard Feynman (giustamente celebre per l’originalità della sua visione del mondo) ma fino a pochi anni fa è rimasta inspiegata.

Per distinguere la sequenza degli eventi durante la rottura di uno spaghetto occorre una risoluzione temporale altissima, come mostra questo video di Destin Sandlin, creatore della serie YouTube Smarter Every Day. Lo spaghetto si spezza quasi simultaneamente in due punti diversi: l’intervallo di tempo tra le due rotture è dell’ordine del decimillesimo di secondo.

Le osservazioni di Sandlin, basate su riprese a 40 000 fotogrammi al secondo, paiono confermare la spiegazione teorica dei francesi Audoly e Neukirch, che è valsa loro un premio IgNobel nel 2005.

 

Un canale YouTube interamente dedicato alle riprese rallentate, con una speciale inclinazione per la scienza e la tecnologia, è quello degli Slow Mo Guys, gli inglesi Gavin Free e Daniel Gruchy.

Questo loro video per esempio mostra come si disintegra un compact disc che ruota così velocemente da distruggersi per effetto della forza centrifuga.

Il motore di un aspirapolvere fa ruotare il CD fino a 23 000 giri al minuto. Per mostrare come il disco si deforma e come le fratture si propagano sulla sua superficie, le riprese qui sono spinte fino a 170 000 fotogrammi al secondo!

 

Cinquant’anni fa, al Massachusetts Institute of Technology, Harold «Doc» Edgerton produceva fotografie che sono rimaste storiche, usando macchine fotografiche costruite ad hoc e capaci di esposizioni ridotte a un milionesimo di secondo.

Doc Edgerton MIT 1964

La sua celebre mela attraversata da una pallottola, per esempio, al di là della pura bellezza dell’immagine, ha permesso di osservare per la prima volta un fenomeno su questa scala dei tempi (e di scoprire, a sorpresa, che l’entrata del proiettile ha effetti devastanti quanto la sua uscita).

Le fotocamere super-veloci oggi in commercio hanno reso possibile riprendere scene à la Edgerton anche in movimento, e il fascino delle armi da fuoco fa sì che YouTube pulluli di video con pallottole al rallentatore.

Per lo più si tratta di pura spettacolarità da videogioco, ma non mancano le curiosità scientifiche come l’effetto in trasparenza di uno sparo fermato dalla gelatina, oppure la complessa dinamica dei fluidi associata a uno sparo sott’acqua.

Il forte impatto emotivo di immagini come quella di Edgerton è stato sfruttato anche in un’indimenticabile campagna contro la violenza di strada nelle città americane.

 

Al Media Lab dell’MIT ci sono ricercatori che oggi continuano a lavorare sulle orme di Edgerton.

Il gruppo guidato da Ramesh Raskar ha sviluppato metodi per riprendere immagini con una risoluzione temporale di 1 picosecondo, cioè un milionesimo di milionesimo di secondo.

Invece di fotocamere tradizionali, qui si usano sistemi di imaging che all’ottica e ai sensori aggiungono un’intensa elaborazione, mediante sofisticati modelli software, dell’enorme massa di dati raccolta in ogni ripresa.

Grazie a queste tecniche è diventato possibile osservare la luce stessa in movimento.

Un laser viene acceso per un tempo brevissimo, così da inviare sulla scena un corto «trenino» di fotoni. Ogni esposizione dura così poco che per ottenere un fotogramma si devono sommare i segnali prodotti da molte ripetizioni dell’evento.

Tra un fotogramma e l’altro, in un picosecondo, la luce percorre meno di un millimetro. Così, quando i fotogrammi sono proiettati a 30 fps, si vede la luce avanzare di pochi centimetri ogni secondo:

Chi volesse saperne di più su questa tecnica, e sulle sue possibili applicazioni future, può passare una decina di minuti a godersi la conferenza TED di Raskar.

Commenti

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *