Se per molti bambini dondolarsi sull’altalena in un parco giochi è naturale, per gli scienziati non è semplice comprendere cosa accada dal punto di vista della fisica. Ma sono riusciti a elaborare un nuovo modello matematico che cattura il modo in cui i bambini cambiano sottilmente la tecnica del dondolarsi all’aumentare del movimento dell’altalena per spiegare cosa fa funzionare questa attrezzatura da gioco. Ne parla Science, partendo da una premessa: un’altalena è fondamentalmente un pendolo. Quindi, c’è una massa, il bambino, che siede sul seggiolino che è appeso ad una barra sopraelevata da un paio di catene. Quando il seggiolino viene spinto lontano dalla sua posizione di equilibrio, si muove verso l’esterno, ma anche leggermente verso l’alto. Quindi, la gravità spinge l’altalena verso la sua posizione iniziale, che viene poi superata. Una volta che l’altalena ha oscillato verso l’esterno nella direzione opposta, la gravità la riporta nuovamente sotto la barra.
Questa spinta incessante verso il centro è la causa dell’oscillazione dell’altalena. Un pendolo standard richiede una forza esterna per farlo oscillare, invece i bambini sanno spingersi da solo spostando il suo peso nei momenti giusti. Infatti, quando l’altalena raggiunge il punto più alto all’indietro, il bambino si piega all’indietro e allunga le gambe, spostando il peso in modo che, anziché essere in linea con le catene, resti dietro di lui mentre l’altalena si muove in avanti. Nel punto più alto del movimento in avanti dell’altalena, il bambino si piega in avanti, mettendo il proprio peso davanti alle catene. In ogni momento, l’obiettivo inconscio resta lo stesso: spostare la posizione del proprio centro di massa in modo tale da aggiungere momento angolare all’oscillazione e aumentare l’ampiezza dell’oscillazione.
MODELLO SPIEGA COME DONDOLARSI SULL’ALTALENA
Un gioco da ragazzi? Nella pratica, ma nella teoria catturare la fisica essenziale in un modello è tutt’altro che semplice. I ricercatori devono includere abbastanza dettagli per descrivere in maniera accurata il sistema, ma non così tanto da renderlo troppo complesso. Un modello proposto nel 1990 ipotizzava che i bambini dondolassero all’indietro e in avanti a una frequenza costante con un semplice movimento sinusoidale, quindi il movimento assumeva la forma di un’onda sinusoidale nel tempo. Ma questo modello funziona abbastanza bene per le oscillazioni di minore ampiezza, crolla invece quando l’ampiezza dell’oscillazione aumenta. Questo perché quando un bambino oscilla sempre più in alto, la sua frequenza di oscillazione diminuisce. Ci sono però altri modelli secondo i quali il bambino percepisce inconsciamente questo spostamento di frequenza e regola di conseguenza la tempistica degli spostamenti del peso corporeo. Ma questi modelli presuppongono anche che tali spostamenti avvengano in modo istantaneo nei punti più alti dell’oscillazione, invece nella realtà i bambini impiegano movimenti fluidi e continui. Lo scienziato Chiaki Hirata della Jumonji University e i suoi colleghi sono riusciti a trovare un compromesso tra i due approcci. Hanno ricreato un modello nel quale il bambino che si dondola è un sistema a tre componenti composto da busto, sedile e gambe. Il busto e la parte inferiore delle gambe si muovono rispetto al sedile in modo oscillatorio, ma la frequenza dell’oscillazione cambia per restare ottimale per il pompaggio.
“GIOCANDO I BAMBINI INTERAGISCONO CON LA FISICA”
Sulla base di questo modello, i ricercatori hanno scoperto che quando l’oscillazione è appena cominciata, la strategia di pompaggio ottimale è quella di inclinarsi completamente all’indietro proprio quando l’oscillazione passa la sua posizione di equilibrio in avanti. Con l’aumentare dell’ampiezza, la tempistica ottimale si sposta a favore dell’inclinazione all’indietro prima. Gli scienziati hanno poi testato il loro modello usando esseri umani reali che oscillavano in una sorta di parco giochi da laboratorio, scoprendo che corrispondeva bene alla vita reale, come spiegato in un articolo in fase di stampa su Physical Review E. Per il matematico Paul Glendinning, dell’Università di Manchester, questo modello ha il giusto equilibrio tra semplicità e precisione. Ma per l’ingegnere meccanico Andy Ruina, della Cornell University, questo nuovo modello non risolve il problema di come un bambino usi le informazioni provenienti dall’ambiente per modificare in modo appropriato la frequenza e i tempi del suo movimento, il cosiddetto feedback attivo. Di sicuro il parco giochi si rivela un laboratorio di fisica applicata per i bambini. «Ha cambiato il mio modo di vedere i bambini sulle altalene. Non stanno solo giocando, stanno interagendo con le leggi della fisica», ha concluso Hirata.
