Il GPS: Global Positioning System o Sistema di Posizionamento Globale

Cominciamo con il dire una cosa: il GPS non è il navigatore satellitare. Il GPS, Global Positioning System o Sistema di Posizionamento Globale, permette di ricavare la propria posizione.
Questa tecnologia, insieme a delle cartine e ad un software che permette di calcolare dinamicamente il tragitto da percorrere, è quello che viene definito navigatore satellitare.
Ma l'informazione proveniente dal GPS può essere usata in tanti modi. Ad esempio, l'app di Facebook la usa per geolocalizzare (cioè localizzare geograficamente) la posizione da cui viene scritto un post con il cellulare. Alcune macchine fotografiche hanno il GPS che inserisce automaticamente le coordinate del luogo dove è stata scattata la foto. Gli usi sono molteplici. Il navigatore è solo uno dei tanti.

Il punto chiave è che, contrariamente a quel che si pensa, i satelliti non vi dicono la vostra posizione, non potrebbero stabilire una connessione diretta con milioni, se non miliardi di dispositivi, rilevare la posizione di ciascuno e comunicargliela. Non sarebbe tecnologicamente fattibile.
I satelliti del GPS, una trentina in tutto, fanno una sola cosa: trasmettono un migliaio di volte a secondo la propria posizione e l'ora di trasmissione.
Esatto, la posizione del satellite e l'ora esatta al microsecondo in cui è stato trasmesso il segnale.
E allora com'è possibile ricavare la posizione sulla Terra di un ricevitore GPS (ad esempio uno smartphone) se i satelliti trasmettono solo la propria posizione e l'ora si trasmissione?
Tramite l'ora di trasmissione il ricevitore calcola la distanza dal satellite. In che modo? Semplice. Anche il ricevitore ha un orologio, quindi sa a che ora riceve il segnale. Dato che sa a che ora è stato trasmesso (glielo ha trasmesso il satellite), può calcolare quanto tempo ci ha messo per arrivare dal satellite fino al ricevitore.
Se il segnale è partito alle 14.04.06,001 ed è arrivato alle 14.04.06,012, il segnale ha impiegato 11 millisecondi per propagarsi (0.011 secondi).
Inoltre il segnale si propaga alla velocità della luce. Dato il tempo e la velocità possiamo calcolare lo spazio percorso

SPAZIO = VELOCITÀ*TEMPO = 300.000 km/s * 0.011 s = 3.300 km

Se riceviamo un segnale da un satellite dopo 11 millisecondi da quando è stato trasmesso vuol dire che questo dista circa 3300 km da noi.
Quindi, di ogni satellite del GPS, riceviamo la posizione e, indirettamente, la distanza.
Ancora non è nota la posizione del ricevitore GPS. Il ricevitore, tramite il principio di trilaterazione e calcoli molto complessi, ricava la propria posizione.

Semplifichiamo su una cartina e, invece di tre satelliti, immaginiamo di avere a che fare con tre persone.
Se la prima persona vi dice che si trova a Napoli e che siete distanti da lei 215 km, descrive una circonferenza di raggio 215 km e centro Napoli (la circonferenza è l'insieme dei punti equidistanti da uno stesso punto detto centro). Non è sufficiente per capire la vostra posizione. Potreste trovarvi in qualsiasi punto della circonferenza.

Una seconda persona vi dice che distate 271 km da Firenze. Questa informazione vi dà una seconda circonferenza, con centro Firenze e raggio 271 km.

Le due informazioni vi dicono che voi dovete stare contemporaneamente su un punto della circonferenza con centro Napoli e su un punto della circonferenza con centro Firenze, cioè nei punti in cui le due circonferenze si intersecano.
Esistono due punti che soddisfano queste condizioni. Ora sapete che vi trovate in uno di quei punti ma ancora non conoscete la vostra posizione.

Arriva una terza persona che vi dice che distate 80 km da Roma.

Altra circonferenza, questa volta con centro Roma e raggio 80 km. Esiste un unico punto che si trova contemporaneamente su tutte e tre le circonferenze. Avete trovato la vostra posizione.

Guardiamo questo video. È in inglese, ma è il migliore che si può trovare sull'argomento.

Vi aiuto

0:36 Viene spiegato che il sistema è composto da 29 satelliti, 24 + 5 di sicurezza in caso di avaria. Ne servono così tanti perché da ogni punto della terra devono essere visibili almeno 4 satelliti. Insomma, sulla vostra testa, in ogni momento, ci devono essere almeno quattro satelliti del sistema GPS.

1:12 Viene spiegato su una cartina il principio della trilaterazione

2:20 Viene spiegato come funziona quando invece di persone che vi dicono la loro distanza avete a che fare con satelliti. Nello spazio invece che circonferenze avete sfere, ma il discorso è simile.

Un po' di materiali

Documento sul GPS:
https://drive.google.com/file/d/0B3giVAqcjD9XNXEtZ3h5aUNwdmM/view?usp=sharing  

Mappa concettuale:
https://drive.google.com/file/d/0B3giVAqcjD9XUVFpLXpFTV96d0U/view?usp=sharing

Esercitazione:
https://drive.google.com/open?id=0B3giVAqcjD9XalBLMGJGS040RUk

Cartina d'Italia:
https://drive.google.com/open?id=0B3giVAqcjD9XYTItbDczdEJKRFU

Cartina di Roma:
https://drive.google.com/file/d/0B3giVAqcjD9XWTVLRlI4Q3RrOVk/view?usp=sharing

Esercizio di urbanistica

Cerca di arrivare fino alla fine. Riprova il gioco più volte, le domande possono essere di volta in volta differenti.

La costruzione di una palazzina

Tutte le fasi della costruzione di una palazzina, dalle fondazioni fino alle finiture. 

Tecniche di costruzioni antisismiche

In caso di terremoto il terreno oscilla in modo anche molto violento.
Queste oscillazioni vengono trasmesse all'edificio che comincia ad oscillare e, a seconda dell'intensità del terremoto ci possono essere dei crolli.

• se l'intensità delle oscillazioni è ridotta i danni possono essere limitati a mobili e lampadari che cadono, finestre che si rompono;
• se le oscillazioni sono un po' più forti si possono formare crepe nei muri interni o nei muri perimetrali;
• se sono ancora più forti muri interni e perimetrali possono crollare;
• in caso di forza ancora maggiore può essere intaccata la struttura portante in cemento armato, cioè l'insieme colonne/travi: in questo caso l'edificio può crollare.

Nella peggiore delle ipotesi può succedere quello che si vede in questo video, si tratta di una prova:

 

L'idea ottimale è inserire alla base delle colonne degli elementi che permettano al terreno di oscillare senza che l'edificio oscilli.
Guardiamo questo video su modelli in scala:

Alla base della struttura di sinistra è inserita una serie di sistemi di smorzamento che fanno in modo che le oscillazioni non si propaghino dal terreno all'edificio. In ingegneria si dice che l'edificio viene disaccoppiato del terreno.

Questa tecnica si usa non solo nelle nuove costruzioni, ma è possibile anche adattare vecchie palazzine, come si vede in questo video:

L'adeguamento sismico è un problema particolarmente sentito in Italia, in territorio con vaste zone sismiche e borghi molto antichi.

Concludo questo post, con una casa antisismica tutta italiana fatta con un materiale veramente speciale, casa antisismica che ha stupito addirittura i giapponesi, massimi esperti nel modo sull'argomento. Per scoprire di cosa sto parlando guardate questo video.

La messa in opera del cemento armato

Questo video spiega tutti i problemi che possono sorgere lavorando con il cemento armato.
Ma prima ancora vi permette di capire cos'è l'armatura, cioè i tubi di metallo che sono dentro la struttura, cos'è il cassero, cioè la struttura che dovrà ricevere il cemento e che contiene il muro, e la colata di cemento.
 

Proiezioni ortogonali di un parallelepipedo ruotato di 30° rispetto LT

Proiezioni ortogonali di un parallelepipedo ruotato di 30° rispetto LT, video di Danilo Eandi

Proiezioni ortogonali di un parallelepipedo

Proiezioni ortogonali di un parallelepipedo, video di Danilo Eandi

Progettiamo una città - Parte 2: il trasporto pubblico

La rete di metropolitane di Roma aggiornata al 23/9/2015. Immagine di Friedrichstrasse (openstreetmap.org) [ODbL (http://opendatacommons.org/licenses/odbl/1.0/) or CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

A mano a mano che la nostra città cresce ci rendiamo conto che il traffico diventa ogni giorno sempre più fuori controllo: dobbiamo progettare un servizio di trasporto pubblico.
In questo esercizio consideriamo il trasporto pubblico composto da due elementi: metropolitane e autobus. Le metropolitane le useremo per i flussi maggiori, gli autobus per quelli minori.

Divisione della zona in aree e analisi dei flussi.

1. Quali sono le zone della città da cui avvengono gli spostamenti maggiori, dove sono diretti? Per questi spostamenti progetteremo una linea di metropolitana.
2. Tutte le altre zone le collegheremo con linee di autobus alla fermata di metropolitana più vicina. Questi autobus si spostano da una zona all'altra, sono le linee principali.
3. All'interno di una zona possiamo mettere delle linee di autobus "locali" che servono la singola zona.

Risolvi l'esercizio dato considerando che:

1. Devi costruire una metropolitana con due diramazioni (A e B) con un totale di 15 fermate compresi i capolinea (usa la il colore rosso)
2. Devi usare 6 autobus per collegare le aree a basse densità con la metro. Per questi autobus uno dei due capolinea deve coincidere con una fermata della metro (usa il colore nero)
3. Devi usare una linea locale per ogni zona. Falla incrociare con le fermate della metro e con le linee di colore nero (usa il colore blu)

Dai un numero alle linee degli autobus e inventa dei nomi per le vie o piazze dei capolinea. Indica il numero sul foglio.

Linea 1... Via della Seta - Piazza Sempione
Linea 2...

Dai un nome alle 15 fermate di Metro. Puoi anche usare nome di fantasia

• Hunger Games
• Thor...

Indica sulla cartina solo qual è la diramazione A e la diramazione B e scrivi se le fermate stanno sulla diramazione A, B o nella parte comune.

Lo sviluppo dei solidi

Come sviluppare un solido sul piano, video di Daniele Passalacqua

Progettiamo una città - Parte 1

1. Decidiamo dove costruire
2. Assegniamo le zone, cioè decidiamo se è una zona residenziale o è una zona industriale per produrre beni (legata al settore secondario), commerciale per venderli (legata al settore terziario) o direzionale (fatta di uffici). Se assegniamo solo zone residenziali ma non forniamo opportunità di lavoro, chi verrà a vivere nella nostra città?
3. Per raggiungere le varie zone servono le strade: costruiamo le strade. Notate che le strade le costruiamo noi, il comune, le zone vengono assegnate e poi i privati costruiranno su quelle zone.
   Affinché qualcuno venga a vivere nella vostra città dobbiamo fornire i servizi essenziali
4. Elettricità. Per fornire elettricità alla nostra città dobbiamo costruire una centrale elettrica (o collegarci a centrali già esistenti). La centrale la costruiremo vicino alle zone residenziali? Direi proprio di no.
5. Dobbiamo fornire acqua a tutte le nostre utenze e prelevare l'acqua di scarico. Per fornire l'acqua possiamo usare acquedotti oppure, se abbiamo un fiume vicino potabilizzare l'acqua del fiume.
   L'acqua di scarico, sia domestica, sia industriale deve essere depurata prima di finire nel fiume, altrimenti inquinerebbe. Quindi ci serve un sistema fognario è un depuratore
6. La gente comincia ad arrivare nella nostra città ed è regno e sogno di tutti i ladri: manca la polizia. Costruiamo una caserma di polizia
7. Aiuto, aiuto, è scoppiato un incendio, chi lo spegne? Poche ore e la città è rasa al suolo dal fuoco. Meglio costruire una caserma dei vigili del fuoco
8. E se uno vuole mandare a scuola i figli? Dove li manda? Servono scuole
9. E se ci si ammala? Costruiamo un ospedale.
10. Che tristezza, nemmeno un parco, poi dici che l'inquinamento aumenta. Apriamone qualcuno.
11. Che bella la nostra città, un momento... i rifiuti stanno arrivando al primo piano delle abitazioni, ci siamo dimenticati di gestirli. Costuiamo centri di riciclaggio, centri di compostaggio e discariche.
12. Abbiamo fatto un bel lavoro, lo costruiamo un municipio per il sindaco?

Ricordiamoci sempre che tutte le utenze devono essere collegate alla rete idrica e alla rete elettrica e che nella realtà ci sono anche il gas e la rete telefonica.

Guardate questo video di Simcity 3000. È proprio un gioco che permette di simulare la gestione di una città.
SimCity è un videogioco di simulazione, sviluppato e pubblicato da Maxis nel 1989 per PC.
Sono state realizzate nel tempo versioni quali SimCity 2000, SimCity 3000, SimCity 4, il reboot SimCity, lo spin off Streets of SimCity, SimCity Societies e SimCity Built It (quest'ultima solo per smartphone).
Nel gioco bisogna creare una nuova città partendo dal nulla o da una città già esistente. Per migliorare la qualità di vita dei sim-cittadini occorre occuparsi della costruzione di stazioni di polizia, caserme dei pompieri, centrali elettriche ed altri servizi che permettono alla città di sopravvivere. Inoltre potrà variare le imposte per coprire le spese. Per complicare il già difficile compito di gestire la città, ci sono una serie di disastri che possono abbattersi su di essa: tornado, inondazioni, incendi, disastri aerei, invasioni da parte di mostri, terremoti. [Fonte: Wikipedia]

Buon 2015/2016

Buon anno scolastico 

a tutti

Circuiti elettrici: lampadine in serie e in parallelo

Nel video seguente (in inglese) sono mostrati due semplici circuiti:

• il primo composto da quattro lampadine in serie + l'alimentazione
• il secondo composto da quattro lampadine in parallelo + l'alimentazione

Nel caso delle lampadine in serie, le lampadine sono tutte sullo stesso ramo del circuito. Il circuito è alimentato con una tensione si 120 Volt, il che vuol dire che ai capi del ramo ci sono 120 Volt. Le lampadine sono tutte uguali e questa tensione si ripartisce tra le quattro lampadine. Ai capi di ogni lampadina ci sono solo 30 Volt. 30 Volt * 4 = 120 Volt è la tensione ai capi del ramo.
Nel video viene fatta vedere prima la luminosità della lampadina collegata da sola, quindi con una tensione di 120 Volt, e poi nel circuito serie. In questo caso, proprio perché ai capi della singola lampadina c'è una tensione minore, le lampadine risultano meno luminose.
Inoltre il ramo è unico: se si toglie una lampadina la corrente non è più libera di scorrere e tutte le lampadine si spengono.

Nel circuito parallelo le quattro lampadine sono su quattro rami distinti. Ognuno di questi vede ai suoi capi una tensione di 120 Volt, quindi le lampadine sono luminose come se fossero montate da sole.
Inoltre, proprio perché sono quattro rami indipendenti, se si stacca una lampadina, la corrente può continuare a scorrere attraverso gli altri rami senza problemi: le altre lampadine restano accese.

Cliccando sul link sottostante potete accedere ad un simulatore che vi permette di costruire circuiti elettrici virtuali.

• Costruire circuiti elettrici

Assonometria isometrica di un cilindro

Per disegnare l'assonometria cavaliera di un cilindro è necessario posizionare sul piano xy una circonferenza.
La figura in basso mostra una possibilità di esecuzione: costruire la circonferenza indeformata al di sotto degli assi, riportarla per punti sul piano xy e, usando un curvilinee, tracciare la circonferenza nel piano xy.

Un'altra possibilità, più semplice, è costruire la circonferenza direttamente a partire dal piano xy. Si costruisce il quadrato che la contiene, che nel piano xy è deformato in un rombo, e ha lato pari al diametro della circonferenza, e si usa una tecnica che prevede di individuare quattro centri e di tracciare quattro archi con il compasso.
Difficile? Guardiamo questo video. Potete anche togliere l'audio, perché è in spagnolo, ma le immagini sono chiarissime.

 

Vi condivido anche quest'ultimo video, sempre in spagnolo con musica molto spagnoleggiante. Notate che per costruire la base superiore dovete costruire il "quadrato isometrico" e la "circonferenza isometrica" anche sopra.

Da FIFA 1994 a FIFA 2015 e Sensible Soccer, l'evoluzione della grafica nei videogiochi: vista dall'alto, assonomtria e prospettiva.

In questo post voglio raccontarvi come discorsi quali viste dall'alto, assonometrie e prospettive, non sono solo chiacchiere astratte, ma le ritrovate nei videogiochi con i quali vi divertite ogni giorno.
Come tema dei videogiochi ho scelto il calcio e l'evoluzione dei videogiochi calcistici.

Cominciamo con Sensible Soccer (se ne parlate ai vostri genitori potrebbero conoscerlo), un titolo del 1992. Sebbene i giocatori siano vagamente tridimensionali, il gioco è bidimensionale. Il campo di calcio è visto dall'alto, non c'è nessun effetto reale di tridimensionalità.
È come se ci fosse una telecamera sopra il campo che si muove per tenere sempre inquadrato il pallone, ma di fatto guarda il campo sempre dall'alto.

Passiamo alla serie FIFA. La prima versione è del 1994. Il video è abbastanza lungo, ma concentratevi nel passaggio da FIFA 95 a FIFA 96, siamo poco dopo l'istante 1:00. Cosa succede alla grafica? C'è letteralmente un salto di qualità, e non è nei dettagli o nella risoluzione, ma nella rappresentazione grafica.

Si passa da una rappresentazione in assonometria isometrica ad una rappresentazione in prospettiva.

Nella coppia di immagini sottostante vedete FIFA94. Già dalla prima immagine, guardando le righe del campo, si intuisce che si tratta di un'assonometria. Nell'immagine più in basso vi ho inserito una possibile terna di assi x, y, z. Vedete, sono gli assi dell'assonometria isometrica.
Caratteristica delle assonometrie è che le righe che nella realtà sono parallele, si disegnano parallele, ed infatti le righe del campo sono disegnate tutte parallele tra loro. Conseguenza di ciò, un oggetto o è lontano, o è vicino, si disegna sempre con le stesse misure.

Facciamo un salto di venti anni in avanti. Ora siamo a FIFA2015. La rappresentazione usata è la prospettiva frontale ad un punto di fuga.
Vedete che ora le rette che nella realtà sono parallele, nel disegno convergono tutte verso un unico punto. L'effetto di questo è che più un oggetto è lontano dal punto di vista dell'osservatore più si disegna piccolo.

La rete mobile dei cellulari

In questa pagina di Fastweb viene spiegato in maniera precisa come funziona la rete mobile dei cellulari.

I cellulari si chiamano così perché il territorio è stato diviso in celle. In ogni cella è presente un'antenna con una stazione radio base.
Il tuo cellulare (o smartphone) in questo momento si trova in una cella ed è collegato ad una stazione radio base.
Quando ti sposti, a piedi, in automobile, in treno, passi da una cella all'altra e il tuo dispositivo passa da una stazione radio base all'altra, senza che tu te ne accorga. Il cambio di cella è gestito da complessi software che girano sia sui cellulari, sia sulle stazioni radio base.
In alcuni momenti puoi anche essere collegato a due stazioni radio base, ma l'idea fondamentale è: sto in una cella e comunico con l'antenna e la stazione radio base di quella cella.
Un'altra cosa importante da sapere sulle celle è che il numero di cellulari che possono essere collegati contemporaneamente ad una stazione radio base è limitato.
Non conosco esattamente il numero, ma supponiamo che sia 1000. Quando il cellulare 1001 entra nella cella e cerca di fare una chiamata, anche se c'è campo la linea risulterà occupata. Per questo nelle aree molto popolate le celle sono molto piccole e le antenne sono molto ravvicinate tra loro. Nelle città le antenne sono a distanze di 400/800 metri tra loro, ecco perché è tutto un "fiorire" di antenne. Invece in campagna le antenne possono anche distare  1/2 chilometri tra loro.

Evoluzione dei cellulari

• "Preistoria":  i primi telefoni portatili erano molto grossi, costosi, erano più simili a radio che a telefoni e venivano usati esclusivamente da ricchi uomini di affari:
• 1G (Prima generazione) - in Italia introdotta dalla SIP nel 1990 con lo standard TACS: solo chiamate audio
• 2G (Seconda generazione) - in Italia introdotta dalla SIP nel 1992 con lo standard GSM: oltre alle chiamate audio cominciano a poter essere inviati i primi dati, nascono gli sms. Per l'invio di dati la rete era lenta, quindi non è stato possibile usarla per Internet
• 3G (Terza generazione) - in Italia introdotta dalla  nel 2003 con lo standard UMTS: si tratta di una rete molto veloce, oltre alle chiamate audio, Internet approda sui cellulari con tutti i suoi servizi, video, audio. Nascono gli smartphone e le app (WhatsApp, ecc... )
• 4G (Quarta generazione) - basata in Italia su standard LTE, consente connessioni a Internet molto veloci

Un video sulla storia dei cellulari.

Il video è del 2006 e non parla degli ultimi dieci anni, ovvero di smartphone e app!

Guglielmo Marconi, le onde elettromagnetiche e le telecomunicazioni

Se in un materiale conduttore (rame, alluminio, ecc) scorre una corrente elettrica che varia nel tempo, si generano delle onde elettromagnetiche.
Possiamo pensare alle onde elettromagnetiche come onde invisibili che si propagano un po' come le onde del mare. Non le vediamo, ma ci sono.
Se delle onde elettromagnetiche raggiungono un materiale conduttore, in questo si genera una piccola corrente elettrica.
Ecco che le onde possono essere usate per trasmette segnali a distanza.
Questa fu la grande intuizione di Marconi, che fece il suo primo esperimento con un campanello elettrico: riusci a far suonare un campanello con un pulsante non collegato al campanello.
Lui premeva il pulsante, una corrente elettrica passava per un conduttore, si generava un'onda elettromagnetica che, una volta raggiunto il circuito elettrico del campanello, faceva suonare il campanello.

Condivido due video.
Nel primo un attore impersona Marconi e ci racconta un po' di cose.

Nel seconde ci viene mostrato, tra le altre cose, il primo esperimento di Marconi.