Fino alla Luna e ritorno: riflettere un segnale radio per calcolare la distanza. Teach article

Tradotto da Rita Spano. Usando un semplice calcolo, si misura la distanza fra la Terra e la Luna con l’ausilio di una stazione radio amatoriale locale. 

Ispirati da un precedente articolo di Science in School, che usava la fotografia per misurare la distanza dalla luna (Cenadelli et al., 2016), abbiamo realizzato un esperimento con dei gruppi di scout in tutto il mondo per fare lo stesso con segnali radio. Con l’aiuto di un operatore radio qualificato, i diversi gruppi hanno inviato sulla Luna segnali radio dalle loro stazioni trasmittenti. I segnali rimbalzano sulla superficie della Luna verso la Terra, dove vengono rivelati da un ricevitore. Questa tecnica di trasmissione radio, nota anche come ‘moon bounce’ (‘riflessione dalla luna’) o comunicazione ‘Terra-Luna-Terra’, è stata a lungo usata nelle comunicazioni militari prima dell’avvento dei satelliti.

Dato che le onde radio sono un tipo di radiazione elettromagnetica, viaggiano alla velocità della luce. Per effetto del tempo di viaggio fra la Terra e la Luna, il segnale radio riflesso è tipicamente ritardato di pochi secondi. Usando il ritardo temporale, i gruppi hanno calcolato la distanza percorsa dall’onda radio e misurato con successo la distanza dalla Luna.

Nicola Graf

Misura della distanza Terra-Luna

In questo articolo descriviamo come svolgere quest’attività nella vostra scuola, iniziando col mettersi in contatto con un radioamatore (una persona autorizzata dalle autorità competenti a trasmettere segnali radio ad alta potenza) per ottenere aiuto. Successivamente spieghiamo come trasmettere e misurare il segnale radio, e come eseguire il calcolo finale. L’esperimento, che deve essere condotto quando la Luna è sopra l’orizzontew1 i, è adatto a studenti a partire dagli 11 anni di età e richiede circa 1.5-2 ore, incluso il tempo di preparazione.  

Per l’insegnante 

L’utilizzo di una stazione radio amatoriale è essenziale per mandare il segnale radio sulla Luna, per questo è necessario chiedere l’assistenza del vostro club radio amatoriale locale o nazionalew2 (la maggior parte dei paesi ne ha uno). Le persone con un interesse nella radiotrasmissione possono sostenere un esame per ottenere una licenza, che gli permette di trasmettere segnali radio a frequenza amatoriali.

Il radioamatore può inviare e ricevere il segnale dalla propria stazione radio amatoriale, o in alternativa l’equipaggiamento necessario può essere installato nella vostra scuola.

Questo richiede:

  • Un’antenna capace di essere puntata in direzione della Luna per convertire il segnale in onde radio e vice versa (figura 1)
  • Un radio trasmettitore/ricevitore (figura 2) per trasmettere le onde radio e ricevere quelle riflesse dalla Luna
  • Un oscilloscopio a due canali (figura 3) che mostri il ritardo temporale fra l’onda radio trasmessa e quella ricevuta (figura 4) 

Your radio amateur will be able to provide the equipment, if necessary with the help of a local amateur radio club. If the radio amateur sends the signals from the amateur radio station, the returning signals can be streamed via the internet to be viewed at your school (see ‘A louder alternative’ section).

Figura 1: Radio antenna Yagi
Yiygi_2b / Flickr
Figura 2: Radio trasmettitore/ricevitore
Dave Clausen / Wikimedia Commons

Figura 3: Oscilloscopio a due canali per la misura dei ritardi temporali.
Elborgo / Wikimedia Commons
Figura 4: L’oscilloscopio mostrerà un andamento del segnale radio, simile a quello mostrato, come viene trasmesso e ricevuto.
Nicola Graf

Per il radio amatore

Imposta il trasmettitore/ricevitore e connettilo all’antenna.

  1. Imposta il trasmettitore/ricevitore e connettilo all’antenna.
    L’antenna e il trasmettitore radio dovrebbero essere nel campo visivo della Luna, e il ricevitore non dovrebbe essere disturbato da segnali d’interferenza, tipo grosse installazioni elettriche nelle vicinanze. Cercando sul sito web Sky Livew3 puoi trovare con esattezza la posizione della Luna nel cielo, come vista dalla tua posizione al momento dell’esperimento.
  2. Seleziona un’appropriata frequenza in VHF o UHF della banda di frequenze radio amatoriali.
  3. Punta l’antenna verso la Luna.
  4. Connetti l’oscilloscopio all’input sonoro del trasmettitore, in modo da mostrare il segnale trasmesso.
  5. Connetti l’output del trasmettitore/ricevitore al secondo canale dell’oscilloscopio.
  6. Trasmetti un segnale in codice Morse o come una serie di impulsi che si visualizzano facilmente sull’oscilloscopio.
  7. Sul ricevitore ascolta la riflessione del tuo segnale e guardalo sull’oscilloscopio.
  8. Imposta il trasmettitore/ricevitore nella modalità ‘break-in mode’, in modo da passare rapidamente tra modalità di trasmissione e ricevimento.
  9. Aggiusta la direzione dell’antenna se necessario.
  10. Allinea i due segnali sull’oscilloscopio e leggi sullo schermo il ritardo temporale fra i due.

Per gli studenti

Usate il ritardo temporale per calcolare la distanza d dalla Luna usando la seguente equazione:

d = (c x t) / 2

dove:

d = distanza Terra-Luna in metri 

c = la velocità della luce, 3 x 108 metri al 

t = ritardo temporale in secondi

Il segnale radio percorre la stessa distanza due volte (dalla Terra alla Luna e ritorno), da qui la necessità di dividere per 2.

Per esempio, con un ritardo temporale di 2.56 secondi:

d = [(3 x 108) x 2.56] / 2

d = 348 000 000 m

Possibili estensioni

  • Il radio amatore potrebbe inviare e ricevere più segnali in modo che gli studenti possano ottenere parecchie misure di ritardo temporale e dal calcolo della media e della deviazione standard stimare un risultato più accurato.
  • Registrate digitalmente i segnali trasmessi e ricevuti usando un semplice registratore audio, come uno smartphone, per poter analizzare i segnali in un secondo momento. Questo permette agli studenti di condurre l’attività senza il bisogno della presenza dell’radioamatore.

Domande

Perché la distanza dalla Luna dipende leggermente dal punto di osservazione sulla Terra?

A causa della curvatura terrestre, questa semplice formula introduce un piccolo errore: la distanza dalla Luna cambia leggermente a seconda del punto di osservazione sulla Terra – a seconda che si trovi più vicino all’equatore o ai poli (vedi figura 5). Questo errore è molto piccolo se comparato alla grande distanza fra la Terra e la Luna, per questa ragione viene ignorato per questo esperimento. 

Figura 5: La distanza d dalla Terra alla Luna varia a seconda del punto di osservazione sulla Terra (immagine non in scala).
Alberto ECJ / Wikimedia Commons / Public domain    
 

L’esperimento per misurare la distanza Terra-Luna è stato eseguito a ottobre da parecchi gruppi di scout durante il loro evento annuale chiamato Jamboree-On-The-Air (Jamboree dell’aria)w4 (JOTA). I gruppi erano disseminati in tutto il mondo, in modo che l’angolo fra i loro punti di osservazione e la Luna fosse differente.

Perché il risultato cambia se si ripete l’esperimento due settimane dopo?

La distanza fra la Terra e la Luna non è completamente fissa. L’orbita della Luna attorno alla Terra non è una circonferenza perfetta, quindi la loro distanza varia leggermente (figura 6). L’esperimento è stato realizzato nello stesso fine settimana in modo che la variazione della distanza non avesse nessuna influenza.

Figura 6: Distanza e fasi della Luna nel 2014.
Darekk2 / Wikimedia Commons
 

Quali altre sorgenti di piccoli errori ci sono nel vostro esperimento?

  • Il ritardo nello streaming del segnale attraverso internet introduce in piccolo errore nel calcolo della distanza. Questo ritardo extra è tipicamente un ordine di grandezza più piccolo del ritardo causato dal tempo di percorrenza del segnale fra la Terra e la Luna ed è quindi trascurato in questo esperimento.
  • Anche l’accuratezza dell’oscilloscopio, che dipende dalla base dei tempi (il numero dei secondi per divisione dello schermo), può introdurre errori. Tipicamente la lettura può essere accurata fino ad un decimo della base dei tempi. Quanto più bassa è l’impostazione della base dei tempi, tanto più accurata sarà la frequenza di scansione e più accurato sarà il risultato.
  • Un segnale debole (che è appena visibile sopra il rumore di fondo) è più difficile da leggere sullo schermo dell’oscilloscopio. L’identificazione del tempo di ritardo è soggetta ad errori, e si possono verificare facilmente variazioni fino a diverse centinaia di millisecondi. Effettuando più misure e usando la media si può ridurre il margine di errore.
  • Oggetti che bloccano parzialmente il percorso dell’onda radio possono causare la diffusione del segnale. Questo è più probabile che accada in aree urbane che in campi aperti e può risultare in molteplici echi visibili sull’oscilloscopio, che in molti casi possono essere più forti del segnale riflesso direttamente dalla Luna. Di conseguenza gli studenti possono erroneamente usare l’eco sbagliata per leggere il ritardo temporale.

Un’alternativa più forte

Se il segnale non è forte abbastanza per eseguire l’attività usando il metodo descritto per il radio amatore, o se volete inviare i segnali radio in streaming via internet, potete usare questo metodo in alternativa.

Per determinare se il segnale sia abbastanza forte, il radio amatore dovrebbe controllare la sensibilità dell’attrezzatura e trovare con esattezza la posizione della Luna nel cielo prima di iniziare l’attività. Se non si può sentire il segnale riflesso, o se il segnale visualizzato si perde nel rumore di fondo sull’oscilloscopio, si può usare come ricevitore un grande radiotelescopio presso l’osservatorio astronomico di Dwingeloo in Olanda (figura 7). Il radiotelescopio è stato rinnovato ed è gestito da un gruppo di radio amatori. Esso riceve il segnale radio e lo converte in un segnale visibile, che è trasmesso in streaming online ed è disponibile per chiunque lo voglia vederew5.

Figura 7: Il telescopio amatoriale all’osservatorio radio di Dwingeloo  in Olanda
Uberprutser / Wikimedia Commons

Per il radio amatore

  1. In preparazione, usate il sito web della Stazione radio astronomica C A Muller (CAMRAS)w6 tper informavi sulle attività pianificate all’ osservatorio di Dwingeloo in Olanda. Se il telescopio non è disponibile, potete trovare un ricevitore alternativo sul sito web WebSDR websitew7. Chiunque, non solo i radio amatori, può usare questo sito web in ogni momento. Controllate che la Luna sia visibile dall’osservatorio al tempo in cui avete programmato l’esperimentow3.
  2. Seguite i passi da 1 a 4 della procedura iniziale.
  3. Sulla pagina web di CAMRAS che mostra il flusso di dati dal WebSDRw5, spostate il cursore giallo alla stessa frequenza che verrà usata per trasmettere il vostro segnale alla Luna (vedi figura 8).
  4. Trasmettete un segnale in codice Morse o come una serie di impulsi facilmente visibili su un oscilloscopio connesso al vostro computer.
  5. Sul computer ascoltate il segnale radio dell’onda radio riflessa e guardatelo sull’oscilloscopio. Gli studenti potrebbero anche vedere i segnali su altri computer.
  6. Allineate i due segnali visti sull’oscilloscopio e leggete sullo schermo il tempo di ritardo fra i due. 
Figura 8: Stabilite la corretta frequenza sullo stream del CAMRAS WebSDR per rendere visibili i segnali radio (sorgente dei dati: http://websdr.camras.nl:8901)

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References

Web References

  • w1 – Per trovare le posizioni e i tempi in cui la Luna sorge e tramonta visitate il sito web  Heavens Above website.
  • w2 ­– Per trovare il vostro radio amatore usate il sito International Amateur Radio Union website..
  • w3 – Trova esattamente dove si trova la Luna nel cielo dalla tua località al momento dell’esperimento usando il sito web Sky Live website.
  • w4 – Jamboree-On-The-Air (JOTA) (Jamborre dell’aria) è un evento internazionale dell’organizzazione mondiale del movimento scoutw8 (WOSM), volto a incoraggiare gli scout di tutto il mondo a comunicare fra loro con l’aiuto di radio amatoriali e internet.
  • w5 – Visitate il CAMRAS WebSDR stream per ascoltare i segnali radio ricevuti dal telescopio amatoriale all’osservatorio radio di Dwingeloo in Olanda.
  • w6 – Accertatevi che il telescopio amatoriale all’osservatorio radio di Dwingeloo sia disponibile al momento del vostro esperimento, visitando il sito web CAMRAS website.
  • w7 – Per vedere una lista di radio ricevitori disponibili e di segnali in streaming via internet visitate il sito web WebSDR.
  • w8 –  L’organizzazione mondiale del movimento scout (WOSM) iè un’organizzazione indipendente, non politica e non governativa, che è composta da 164 Organizzazioni Scout Nazionali (National Scout Organisations NSOs) da 224 paesi e territori da tutto il mondo. Con oltre 40 milioni di membri, il WOSM è uno dei movimenti giovanili più grandi al mondo.

Resources

Author(s)

Richard Middelkoop ha una laurea in ingegneria elettrica ed una laurea magistrale in telecomunicazioni conseguite presso l’Eindhoven University of Technology nei Paesi Bassi. Serve come volontario l’organizzazione mondiale del movimento scout (WOSM) dirigendo un team che organizza un raduno annualew4 for 1 million young people around the globe, by means of radio and internet connections che coinvolge 1 milione di giovani da tutto il mondo, tramite connessioni radio e internet.


Review

Quest’attività fornisce agli studenti l’opportunità unica di dare un’occhiata al mondo degli esperti, di osservarli mentre lavorano e capire la scienza dietro gli strumenti usati. E’un modo fantastico per mettere in pratica la teoria studiata sulle onde radio, calcolando la distanza della Luna da differenti punti, e per investigare lo schema orbitale della Luna. Sarebbe una grande opportunità collaborare con un’altra scuola dall’altra parte del globo e condividere risultati ed esperienze. 


Catherine Cutajar, insegnante di Fisica, St. Martin’s College Sixth Form, Malta




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