In questo paragrafo, alla luce dell’analisi dei lavori in letteratura sulla didattica dei sistemi dinamici non lineari (paragrafo 5.1) e dei modelli spontanei degli studenti inerenti l’interpretazione di semplici sistemi fisici che presentano un comportamento estremamente dipendente dalle condizioni iniziali (paragrafo 5.2), verrà presentato in chiave didattica il contenuto fisico della sequenza d’insegnamento che verrà progettata.
Dare una definizione generale di caos deterministico, da applicare a tutti i fenomeni in cui esso si manifesta, non è semplice. Tuttavia si può affermare la
presenza del caos nei casi in cui si ottengono traiettorie che soddisfano queste tre condizioni13:
1. sensitività rispetto alle condizioni iniziali: partendo da due diverse condizioni iniziali, arbitrariamente vicine tra loro, la distanza tra le rispettive traiettorie cresce esponenzialmente e, dopo un numero finito di iterazioni, diventa dello stesso ordine di grandezza della variabile di stato
2. transitività (o mixing): i punti della traiettoria generata, partendo da una generica condizione iniziale, ricoprono densamente una zona dello spazio delle fasi
3. esistenza di infiniti cicli repulsivi, con i punti periodici densi nella regione ricoperta dalle traiettorie caotiche. Tali punti respingono le traiettorie che pertanto sono costrette a “rimbalzare” continuamente all’interno dello spazio delle fasi.
La prima proprietà, ossia quella della sensibilità dalle condizioni iniziali è quella che maggiormente è stata messa in evidenza, attraverso le diverse attività, nella progettazione della sequenza di insegnamento/apprendimento nella presente tesi.
Questo perché tra le proprietà che caratterizzano un sistema dinamico caotico è la più semplice ed evidente e quella più facilmente riscontrabile nei sistemi che presentano un comportamento caotico. Inoltre, tale proprietà è quella che ha suscitato numerose riflessioni in campo filosofico ed epistemologico mettendo in crisi il paradigma della prevedibilità dell’evoluzione temporale dei sistemi governati da leggi deterministiche.
Pertanto, questa proprietà rappresenta il nodo concettuale centrale dell’intera sequenza d’insegnamento apprendimento.
Nell’approccio didattico tradizionale dell’insegnamento della fisica oggi si sottolinea la capacità di potere prevedere il futuro di un sistema fisico a partire
13
Tale definizione è tratta dal testo “Sulle orme del caos” di G. I. Bischi, R. Carini, L. Gardini, P. Tenti, ed. Bruno Mondadori (2004), p. 101.
dalla conoscenza del modello scientifico che lo rappresenta e delle condizioni iniziali. Mentre, non si tratta tutta una classe di fenomeni, che pur essendo descritti da leggi deterministiche, hanno una evoluzione temporale irregolare e non prevedibile a lungo tempo.
Tutto ciò provoca negli studenti un rafforzamento dell’idea spontanea che sempre condizioni iniziali simili (cioè leggermente differenti) portano a stati finali simili. Tale concetto è noto come concetto di causalità “forte”. Dunque affinché gli studenti possano costruirsi un modello per interpretare i fenomeni caotici è necessario mettere in crisi questo concetto di causalità forte non per sostituirlo ma per integrarlo, per completarlo con quello di causalità “debole”. Tale concetto prevede che pur essendo note le condizioni iniziali del sistema ed il modello che lo descrive, per la sensibilità estrema del sistema alle condizioni iniziali, la sua evoluzione temporale risulta imprevedibile dopo un certo tempo. Tale intervallo di tempo, oltre il quale il sistema risulta imprevedibile, viene indicato con l’espressione “orizzonte di prevedibilità” e dipende dalle caratteristiche del sistema stesso. Questo viene proposto nella sequenza attraverso l’osservazione diretta di semplici fenomeni fisici che presentano un comportamento caotico.
Altro nodo concettuale che viene affrontato nella sequenza di insegnamento è il significato nelle scienze dell’attributo “caotico”. Esso, infatti, è del tutto differente rispetto a quello che ha nel linguaggio comune. Nel linguaggio comune il termine “caos” è sinonimo di confusione e disordine. Mentre, in ambito scientifico, un fenomeno caotico, nonostante mostri un comportamento irregolare, è un fenomeno deterministico e dunque descrivibile con delle equazioni matematiche.
Ancora, un altro nodo concettuale che viene affrontato nella sequenza di insegnamento è la connessione tra “caso” e “caos” nei sistemi presi in esame (D. Ruelle, 1992). Un modello spontaneo che gli studenti applicano per interpretare i fenomeni caotici è proprio quello di considerarli come fenomeni stocastici ossia con una dinamica totalmente imprevedibile. Sarà evidenziato come la inevitabile incertezza nelle condizioni iniziali si tradurrà per alcuni sistemi dinamici, che
mostrano una estrema sensibilità alle condizioni iniziali, in una evoluzione temporale piuttosto che in un’altra del tutto differente ed imprevedibile.
Si può affermare, dunque, che se da un lato sembra che il caos deterministico imponga delle limitazioni al valore predittivo della scienza, dall’altro rappresenta un’area di frontiera verso nuove possibilità di conoscenza e verso una sempre più chiara concezione di scienza stessa, intesa come continuo e diretto confronto con la realtà che ci circonda (G. Casati, 1991). Infatti, comportamenti apparentemente inspiegabili, nell’ambito di un approccio riduzionista nelle scienze sperimentali, trovano una spiegazione nell’ambito della dinamica dei sistemi non lineari.
Pertanto, lo scopo di tutta la sequenza progettata è mostrare come “dietro il caos c’è in realtà un ordine nascosto, che dà origine a fenomeni estremamente complessi a partire da regole molto semplici” (J. Gleik, Chaos, 1987)
Nella mappa concettuale che segue vengono messi in relazione i nodi concettuali della sequenza di insegnamento/apprendimento sui moti caotici e le attività che verranno proposte agli studenti.
La sequenza didattica progettata in questo lavoro di tesi, a differenza di quelle nei lavori di Komorek e Duit, è stata pensata per una classe del triennio della scuola secondaria superiore.
Altra differenza tra questa sequenza e quella di Komorek e Duit è il ruolo centrale ricoperto dall’utilizzo delle simulazioni nelle diverse attività della sequenza come artefatto per l’apprendimento dei sistemi dinamici non lineari. Le simulazioni, infatti, permettono di sperimentare facilmente come si evolvono nel tempo due eventi differenti che partono da condizioni iniziali assai simili e rendono possibile la misura delle distanza tra le due traiettorie durante la loro evoluzione temporale (cosa che in laboratorio risulta estremamente complicato, o addirittura impossibile da realizzare). Ciò rende possibile introdurre quantitativamente lo studio del caos deterministico presso la scuola secondaria superiore superando gli ostacoli sperimentali che tale tema presenta e favorendo il superamento dei nodi concettuali di cui abbiamo già parlato.
Differenza tra sistemi la cui evoluzione temporale è prevedibile a lungo termine e quelli per cui ciò non è possibile
Osservazione ed analisi di sistemi deterministici e di sistemi caotici tratti dalla vita quotidiana
Pendolo caotico
Biliardo con ostacolo circolare centrale
Calcolo degli esponenti di Lyapunov Estrema sensibilità dalle condizioni iniziali:
divergenza delle traiettorie
I punti della traiettoria generata, partendo da una generica
condizione iniziale, ricoprono densamente una zona dello spazio delle fasi.
Attrattori strani