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Frequenza Se un fenomeno è periodico, ha senso chiedersi quante volte avviene in un secondo. [ν]= [T] -1 L’unità di misura S.I. è il s -1 , che viene chiamato anche Hz (hertz)

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FrequenzaSe un fenomeno è periodico, ha senso chiedersi quante volte avviene in un secondo.

[ν]= [T]-1

L’unità di misura S.I. è il s-1, che viene chiamato anche Hz (hertz)

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Ogni unità di misura possiede una serie di multipli e di sottomultipli che tornano utili nel caso in cui si debbano misurare quantità molto piccole o molto grandi rispetto all’unità stessa

Nel S.I, i multipli e i sottomultipli sono identificati con dei prefissi che si accorpano al nome dell’unità.

Ad es: 1 cm = 0.01 m

Ritorniamo alle grandezze fisiche fondamentali

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schema dei multipli e sottomultipli delle unita’ di misura

10-310-210-11101102103

m-c-d-

da-h-k-

(milli-)

(centi-)

(deci-)

(deca-)

(etto-)

(kilo-)

schema dei multipli e sottomultipli delle unita’ di misura

10-9

10-6

10-310-210-11101102103

106

109

n-

μ-

m-c-d-

da-h-k-

M-

G-

(nano-)

(micro-)

(milli-)

(centi-)

(deci-)

(deca-)

(etto-)

(kilo-)

(mega-)

(giga-)

10-12

10-15

10-18

p- (pico-)

f- (femto-)

a- (atto-)

1012

1015

1018

T- (tera-)

P- (peta-)

E- (esa-)schema dei multipli e sottomultipli delle unita’ di misura

10-9

10-6

10-3

10-2

10-1

1

101

102

103

106

109

n-

µ-

m-

c-

d-

da-

h-

k-

M-

G-

(nano-)

(micro-)

(milli-)

(centi-)

(deci-)

(deca-)

(etto-)

(kilo-)

(mega-)

(giga-)

Attenzione: per le misure di massa, si fa riferimento al grammo (g), anche se l’unità di misura è il kilogrammo (kg)

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Talvolta, per comodità, questi prefissi vengono usati in modo “generalizzato” assieme ad unità non S.I. per indicare più sinteticamente la potenza di 10 associata:ad esempio:

121

diminuzione, poi una salita abbastanza rapida fino al 2002, infine una salita tendenzialmente

più lenta. Più oscillanti gli andamenti del settore industriale (comunque tendenzialmente in

discesa) e degli altri settori, terziario e residenziale, (comunque tendenzialmente in salita).

Limitando  qui  l’analisi  al  settore  energetico,  dobbiamo  constatare  che  l’aumento  non 

trascurabile delle emissioni si è verificato a fronte di un ben più elevato aumento della

produzione di elettricità. La Tabella 11.3 mostra l’aumento della produzione dal 1990 al 2000 

e al 2005, evidenziando che a fronte di un aumento della produzione del 40% dal 1990 al

2005, l’aumento delle emissioni è stato solamente del 19%.

Tabella 11.3: Confronto fra l’aumento di produzione elettrica e l’aumento di emissioni.

Produzione

elettrica

(TWh)

Emissioni di CO2

(Mton)

Aumento della

produzione rispetto al

1990

Aumento delle

emissioni rispetto al

1990

1990 216,9 123,4

2000 276,7 143,1 27,5% 11,6%

2005 303,7 147,0 40% 19,1%

11.7.2 Confronti internazionali Come meglio specificato nell’appendice, “Dati di riferimento”, per questo particolare

aspetto  dell’analisi  si  sono  dovuti  superare  alcuni  ostacoli  legati  alla  disomogeneità  delle 

fonti e dei dati di partenza. Al fine di rendere più coerente la presentazione dei dati, si è

deciso di limitare il confronto ai paesi dell’Europa dei 15, con l’eccezione del Lussemburgo, 

ritenuto non significativo, includendo però la Polonia e la Romania, i maggiori fra i paesi

entrati nell’Unione Europea con i successivi allargamenti e la Turchia, che è il maggiore fra i

Paesi candidati e che presenta un elevato potenziale di crescita dei consumi nei prossimi anni.

La Fig. 11.7 illustra le emissioni di anidride carbonica nei Paesi menzionati nel 2005,

evidenziando la componente dovuta al sistema elettrico. Nella successiva Fig. 11.8 sono

mostrati il contributo percentuale alle emissioni del sistema elettrico (Fig. 11.8 (a)) e i dati di

emissioni pro capite (Fig. 11.8 (b)).

Fig. 11.7 Produzione CO2 in

alcuni Paesi europei – Anno 2005

(fonte: UE , TERNA).

Come si evince dalla Fig. 11.7, l’Italia è al terzo posto in Europa per quanto riguarda le 

emissioni in assoluto, dopo Germania e Regno Unito, e precedendo la Francia, che beneficia

da questo punto di vista del grande parco di centrali elettronucleari. Se si guarda all’incidenza 

percentuale del sistema elettrico (Fig. 11.8 (a)), vediamo che – nonostante la rinuncia

all’energia nucleare – non siamo comunque fra i maggiori emettitori europei, dato che questo

settore incide sul totale delle emissioni per poco più del 30%, contro percentuali intorno al

40% o superiori per numerosi paesi, fra cui la Germania. La Fig. 11.8 (b) mostra infine che,

rapportando le emissioni alla popolazione, soltanto Belgio, Francia, Portogallo, Romania,

Svezia e Turchia si collocano ad un livello inferiore. Si tratta di paesi che si caratterizzano o

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

AUSTR

IA

BELG

IO

DANIM

ARCA

FINLA

NDIA

FRANCIA

GER

MANIA

GREC

IA

IRLA

NDA

ITALIA

PAESI B

ASSI

POLO

NIA

PORTO

GALLO

REG

NO U

NIT

O

ROM

ANIA

SPAGNA

SVEZIA

TURCHIA

Mto

n C

O2

Contributo del settore elettrico

Contributo altri settori energetici

produzione italiana di energia elettrica ed emissione di anidride carbonica correlata

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quantum technology 73

Lasers and other spin-one vector boson launchers

Photons are vector bosons; a lamp is thus a vector boson launcher. All lamps fall intoone of three classes.Ref. 61 Incandescent lamps use emission from a hot solid, gas dischargelamps use excitation of atoms, ions or molecules through collision, and solid state lampsgenerate (cold) light through recombination of charges in semiconductors.

TA B L E 7 A selection of lamps and lasers

L a m p t y p e , a p p l i c at i o n Wav e -l e n g t h

B r i g h t -n e s s o rp ow e r

C o s t L i f e -t i m e

Incandescent lamps

Tungsten wire light bulbs, halogenlamps, for illumination

300 to 800 nm 5 to 25 lm/W 0.1 cent/lm 700 h

Stars, for production of heavyelements

full spectrum thou-sands ofmillionsof years

Gas discharge lamps

Oil lamps, candles, for illumination white up to 500 lm 1 cent/lm 5 hNeon lamps, for advertising red up to

30 khMercury lamps, for illumination UV plus

spectrum45 to110 lm/W 0.05 cent/lm 3000 to

24 000 hMetal halogenide lamps (ScI3 or‘xenon light’, NaI, DyI3, HoI3, TmI5)for car headlights and illumination

white 110 lm/W 1cent/lm up to20 kh

Sodium low pressure lamps forstreet illumination

589 nm yellow 200 lm/W 0.2 cent/lm up to18 kh

Sodium high pressure lamps forstreet illumination

broad yellow 120 lm/W 0.2 cent/lm up to24 kh

Xenon arc lamps, for cinemas white 30 to150 lm/W, upto 15 kW

100 to2500 h

Stars, for production of heavyelements

many lines thou-sands ofmillionsof years

Recombination lamps

Foxfire in forests, e.g. due toArmillaria mellea and otherbioluminescent fungi in rottingwood

green just visible years

Firefly, to attract mates green-yellow c. 10 h

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CO2 laser, for cutting, welding, glasswelding and surgery

10.6 µm CW up to100 kW,pulsed up to10TW

1500 h

Excimer laser, for lithography insilicon chip manufacturing, eyesurgery, pumping, psoriasistreatment, laser deposition

193 nm (ArF),248 nm (KrF),308 nm (XeCl),353 nm (XeF)

100W

Metal vapour lasers (Cu, Cd, Se, Ca,Ag, Au, Mn, Tl, In, Hg)

Copper vapour laser, for pumping,photography, dermatology, lasercutting, hobby constructions andexplorative research

248 nm,511 nm and578 nm

pulses up to5MW

Cadmium vapour laser, for printing,typesetting and recognition offorged US dollar notes

325 nm and442 nm

up to 200mW 12 kEuro 10 kh

Gold vapour laser, for explorativeresearch, dermatology

627 nm pulses up to1MW

from a fewhundred Euroupwards

Chemical gas lasers

HF, DF and oxygen-iodine laser,used as weapons, pumped bychemical reactions

1.3 to 4.2 µm up to MW inCWmode

over10MEuro

un-known

Liquid Dye lasers

Rhodamine, stilbene, coumarinetc. lasers, for spectroscopy andmedical uses

tunable, rangedepends ondye in 300 to1100 nm range

up to 10W 10 kEuro dye-dependent

Beer, vodka, whiskey and manyother liquids work as laser material

IR, visible

Solid state lasers

Ruby laser (obsolete), forholography and tattoo removal

694 nm 1 kEuro

Nd:YAG (neodym-YAG) laser, formaterial processing, surgery,pumping, rangefinding, velocimetry

1064 nm CW 10 kW,pulsed300MW

50 to500 kEuro

1000 h

Er:YAG laser, for dermatology 2940 nm

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Used for material science 5 nm to 1mm CW 20 kW,pulsed in GWrange

10MEuro years

Nuclear-reaction pumped lasers

Have uses only in science fiction and for getting money from gullible military

Most solid state lamps are light emitting diodes. The large progress in brightness oflight emitting diodes could lead to a drastic reduction in future energy consumption, iftheir cost is lowered sufficiently. Many engineers are working on this task. Since the costis a good estimate for the energy needed for production, can you estimate which lamp isthe most friendly to the environment?Challenge 51 s

Nobody thought much about lamps, until Albert Einstein and a few other greatphysicists came along, such as Theodore Maiman and Hermann Haken. Many other re-searchers later received Nobel Prizes by building on their work. In 1916, Einstein showedthat there are two types of sources of light – or of electromagnetic radiation in gen-eral – both of which actually ‘create’ light. He showed that every lamp whose brightnessis turned up high enough will change behaviour when a certain intensity threshold ispassed.The main mechanism of light emission then changes from spontaneous emissionto stimulated emission. Nowadays such a special lamp is called a laser. (The letters ‘se’ inlaser are an abbreviation of ‘stimulated emission’.) After a passionate worldwide researchrace, in 1960Maiman was the first to build a laser emitting visible light. (So-calledmasersemittingmicrowaves were already known for several decades.) In summary, Einstein andthe other physicists showed that lasers are lamps which are sufficiently turned up. Lasersconsist of some light producing and amplifying material together with a mechanism topump energy into it. The material can be a gas, a liquid or a solid; the pumping pro-cess can use electrical current or light. Usually, the material is put between two mirrors,in order to improve the efficiency of the light production. Common lasers are semicon-ductor lasers (essentially strongly pumped LEDs or light emitting diodes), He–Ne lasers(strongly pumped neon lamps), liquid lasers (essentially strongly pumped fire flies) andruby lasers (strongly pumped luminescent crystals).

Lasers produce radiation in the range frommicrowaves and extreme ultraviolet.Theyhave the special property of emitting coherent light, usually in a collimated beam.There-fore lasers achieve much higher light intensities than lamps, allowing their use as tools.In modern lasers, the coherence length, i.e., the length over which interference can beobserved, can be thousands of kilometres. Such high quality light is used e.g. in gravita-tional wave detectors.

People have become pretty good at building lasers. Lasers are used to cut metal sheetsup to 10 cm thickness, others are used instead of knives in surgery, others increase surfacehardness of metals or clean stones from car exhaust pollution. Other lasers drill holes inteeth, measure distances, image biological tissue or grab living cells. Most materials can

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Ti:sapphire laser, for ultrashortpulses for spectroscopy, LIDAR, andresearch

650 to 1200 nm CW 1W,pulsed300TW

from 5 kEuroupwards

Alexandrite laser, for lasermachining, dermatology, LIDAR

700 to 840 nm

Cr:LiSAF laser pulsed 10TW,down to 30 fs

Cr:YAG laser 1.35 to 1.6 µm pulsed, downto 100 fs

Cr:Forsterite laser, opticaltomography

1200 to1300 nm

pulsed, below100 fs

Erbium doped glass laser, used inoptical communications (underseacables) and optical amplifiers

1.53 to 1.56 µm years

Perovskite laser, such as Co:KZnF3,for research

NIR tunable,1650 to2070 nm

100mW 2 kEuro

F-centre laser, for spectroscopy(NaCl:OH-, KI:Li, LiF)

tuning rangesbetween 1.2and 6 µm

100mW 20 kEuro

Semiconductor lasers

GaN laser diode, for opticalrecording

400 to 500 nm 10mW a few Euro a few100 h

AlGaAs laser diode, for opticalrecording, pointers, datacommunication, laser fences, barcode readers (normal or verticalcavity)

620 to 900 nm up to 1W below 1 Euroto 100 Euro c. 10 000 h

InGaAsP laser diode, for fiberopticcommunication, laser pumping,material processing, medial uses(normal and vertical cavity orVCSEL)

1 to 2.5 µm up to 100W below 1 Euroup to a few kEuro

up to20 000 h

Lead salt (PbS/PbSe) laser diode, forspectroscopy and gas detection

3 to 25 µm 0.1W a few 100Euro

Quantum cascade laser, for researchand spectroscopy

2.7 to 350 µm CW achieved

Hybrid silicon lasers, for research IR nW 0.1MEuro

Free electron lasers

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Page 7: lezione 1 + 2 · 2020-02-19 · 2 (Mton) Aumento della produzione rispetto al 1990 Aumento delle emissioni rispetto al 1990 1990 216,9 123,4 2000 276,7 143,1 27,5% 11,6% 2005 303,7

I prefissi presentati prima, sono in stretta correlazione con i numeri scritti in notazione esponenziale:

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Tale metodo di scrittura dei numeri permette di eseguire operazioni su quantità molto piccole o grandi (rispetto all’unità di misura) senza dover scrivere un gran numero di di zeri.

Ad esempio:la massa del sole vale =1.989 10 30 kg;nella galassia ci sono circa NS =1012 stelle più o meno come il sole;nell’universo (all’interno del nostro orizzonte) ci sono circa NG =1012 galassie.

La massa totale dell’universo vale quindi:

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Attualità

500 ktons = 5 x 105 tons = 5 x 105 x 4.184 x 109 J = 20,92 x 1014 J=2,092 PJ

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Attenzione però che solitamente scrivere 1 km non è del tutto equivalente a scrivere 1000 m oppure 1000000 mm:

d=1 km vuol dire in pratica: 0.5 km < d <1.5 km

d=1000 m vuol dire in pratica: 999.5 m < d <1000.5 m

d=1000000 mm vuol dire in pratica:999999.5 mm < d <1000000.5 mm

Quando si riporta una misura, occorre quindi riportare solo il numero di cifre di cui si è sicuri, cioè quelli corrispondenti alla precisione della misura stessa

(se così non fosse, avrei scritto 0 km o 1 km)

(se così non fosse, avrei scritto 999 m o 1001 m)

(se così non fosse, avrei scritto 999999 mm o 100001 mm)

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Attenzione inoltre alle conversioni di unità di misura quando ci sono in gioco le grandezze fisiche derivate:

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Unità non facenti parte del S.I.Come esempio, riportiamo le seguenti unità di lunghezza che non fanno parte del S.I.:•pollice (inch)•piede (foot)•iarda (yard)•miglio (mile)•miglio marino•Angstrom•anno luce•parsec

La cosa positiva è che la relazione (almeno per le lunghezze, le masse, e i tempi) è di proporzionalità:

k può essere visto come un coefficiente di conversione!

x 12

x 3

x 1760

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Altre unità non S.I.

Tempo: minuto, ora, giorno solare medio, anno

Massa: oncia, libbra, quintale, tonnellata

Superficie: ettaro

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Attenzione: da banali errori di conversione tra unità di misura differenti possono scaturire grandi errori

http://daily.wired.it/news/scienza/2011/11/10/nasa-esplosione-mars-climate-orbiter-1556.html

http://threesixty360.wordpress.com/2007/11/14/math-mistakes-in-history-the-mars-climate-orbiter/

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https://it.wikipedia.org/wiki/Volo_Air_Canada_143

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Quantità di precipitazioni atmosferiche

(pioggia, neve)

come si misurano?

pluviometro

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Liguria 2011

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Provenza 2010

Page 20: lezione 1 + 2 · 2020-02-19 · 2 (Mton) Aumento della produzione rispetto al 1990 Aumento delle emissioni rispetto al 1990 1990 216,9 123,4 2000 276,7 143,1 27,5% 11,6% 2005 303,7
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Livellamento di un appezzamento

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http://www.ilcittadino.it/p/notizie/cronaca_centro_lodigiano/2012/02/17/ABa15x2-spino_stop_al_livellamento.html

Livellamento dei terreni agricoli per ricavarne ghiaia o sabbia da costruzionelo spunto lo trovate ad esempio qui:

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Alcune tabelle di valori di grandezze fisichemisurate sperimentalmente

(tratte da C. Schiller, MOTION MOUNTAIN vol 1)

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from motion measurement to continuity 49

TA B L E 10 Some measured distance values

O b s e rvat i o n D i s t a n c e

Galaxy Compton wavelength 10−85 m (calculated only)Planck length, the shortest measurable length 10−32 mProton diameter 1 fmElectron Compton wavelength 2.426 310 215(18) pmHydrogen atom size 30 pmSmallest eardrum oscillation detectable by human ear 50 pmSize of small bacterium 0.2 µmWavelength of visible light 0.4 to 0.8 µmPoint: diameter of smallest object visible with naked eye 20 µmDiameter of human hair (thin to thick) 30 to 80 µmTotal length of DNA in each human cell 2mLargest living thing, the fungus Armillaria ostoyae 3 kmLongest human throw with any object, using a boomerang 427mHighest human-built structure, Burj Khalifa 828mLargest spider webs in Mexico c. 5 kmLength of Earth’s Equator 40 075 014.8(6)mTotal length of human blood vessels (rough estimate) 4to16 ⋅ 104 kmTotal length of human nerve cells (rough estimate) 1.5to8 ⋅ 105 kmAverage distance to Sun 149 597 870 691(30)mLight year 9.5 PmDistance to typical star at night 10 EmSize of galaxy 1 ZmDistance to Andromeda galaxy 28 ZmMost distant visible object 125Ym

our adventure, until we find the solution.Ref. 38 And obviously, it will turn out to be a thirdoption.

Size – why area exists , but volume does not

A central aspect of objects is their size. As a small child, under school age, every humanlearns how to use the properties of size and space in their actions. As adults seekingprecision, with the definition of distance as the difference between coordinates allows usto define length in a reliable way. It took hundreds of years to discover that this is not thecase. Several investigations in physics and mathematics led to complications.

The physical issues started with an astonishingly simple question asked by LewisRichardson:* How long is the western coastline of Britain?

Following the coastline on a map using an odometer, a device shown in Figure 24,Richardson found that the length l of the coastline depends on the scale s (say 1 : 10 000

* Lewis Fray Richardson (1881–1953), English physicist and psychologist.

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from motion measurement to continuity 39

TA B L E 6 Selected time measurements

O b s e rvat i o n T i m e

Shortest measurable time 10−44 sShortest time ever measured 10 ysTime for light to cross a typical atom 0.1 to 10 asShortest laser light pulse produced so far 200 asPeriod of caesium ground state hyperfine transition 108.782 775 707 78 psBeat of wings of fruit fly 1msPeriod of pulsar (rotating neutron star) PSR 1913+16 0.059 029 995 271(2) sHuman ‘instant’ 20msShortest lifetime of living being 0.3 dAverage length of day 400million years ago 79 200 sAverage length of day today 86 400.002(1) sFrom birth to your 1000million seconds anniversary 31.7 aAge of oldest living tree 4600 aUse of human language 0.2MaAge of Himalayas 35 to 55MaAge of oldest rocks, found in Isua Belt, Greenlandand in Porpoise Cove, Hudson Bay

3.8Ga

Age of Earth 4.6GaAge of oldest stars 13.7GaAge of most protons in your body 13.7GaLifetime of tantalum nucleus 180mTa 1015 aLifetime of bismuth 209Bi nucleus 1.9(2) ⋅ 1019 a

An observation that is considered the smallest part of a sequence, i.e., not itself asequence, is called an event. Events are central to the definition of time; in particular,starting or stopping a stopwatch are events. (But doChallenge 35 s events really exist? Keep this questionin the back of your head as we move on.)

Sequential phenomena have an additional property known as stretch, extension orduration. Some measured values are given in Table 6.* Duration expresses the idea thatsequences take time. We say that a sequence takes time to express that other sequencescan take place in parallel with it.

How exactly is the concept of time, including sequence and duration, deduced fromobservations? Many people have looked into this question: astronomers, physicists,watchmakers, psychologists and philosophers. All find that time is deduced by comparingmotions. Children, beginning at a very young age, develop the concept of ‘time’ from thecomparison of motions in their surroundings.Ref. 21 Grown-ups take as a standard the motionof the Sun and call the resulting type of time local time. From the Moon they deduce alunar calendar. If they take a particular village clock on a European island they call it the

* A year is abbreviated a (Latin ‘annus’).

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from objects and images to conservation 93

TA B L E 16 Some measured mass values

O b s e rvat i o n M a s s

Probably lightest known object: neutrino c. 210−36 kgMass increase due to absorption of one green photon 4.1 ⋅ 10−36 kgLightest known charged object: electron 9.109 381 88(72) ⋅ 10−31 kgAtom of argon 39.962 383 123(3) u = 66.359 1(1) ygLightest object ever weighed (a gold particle) 0.39 agHuman at early age (fertilized egg) 10−8 gWater adsorbed on to a kilogram metal weight 10−5 gPlanck mass 2.2 ⋅ 10−5 gFingerprint 10−4 gTypical ant 10−4 gWater droplet 1mgHoney bee, Apis mellifera 0.1 gEuro coin 7.5 gBlue whale, Balaenoptera musculus 180MgHeaviest living things, such as the fungus Armillariaostoyae or a large Sequoia Sequoiadendron giganteum

106 kg

Heaviest train ever 99.7 ⋅ 106 kgLargest ocean-going ship 400 ⋅ 106 kgLargest object moved by man (Troll gas rig) 687.5 ⋅ 106 kgLarge antarctic iceberg 1015 kgWater on Earth 1021 kgEarth’s mass 5.98 ⋅ 1024 kgSolar mass 2.0 ⋅ 1030 kgOur galaxy’s visible mass 3 ⋅ 1041 kgOur galaxy’s estimated total mass 2 ⋅ 1042 kgvirgo supercluster 2 ⋅ 1046 kgTotal mass visible in the universe 1054 kg

tive mass bodies would still fall downwards in the field of a large positive mass (thoughmore slowly than an equivalent positive mass). Are you able to confirm this?Challenge 161 e However, asmall positive mass object would float away from a large negative-mass body, as you caneasily deduce by comparing the various accelerations involved. A positive and a nega-tive mass of the same value would stay at constant distance and spontaneously accelerateaway along the line connecting the two masses.Challenge 162 e Note that both energy and momentumare conserved in all these situations.* Negative-mass bodies have never been observed.

* For more curiosities, see R. H. Price, Negative mass can be positively amusing, American Journal ofPhysics 61, pp. 216–217, 1993. Negative mass particles in a box would heat up a box made of positive masswhile traversing its walls, and accelerating, i.e., losing energy, at the same time. They wouldPage 96 allow one tobuild a perpetuum mobile of the second kind, i.e., a device circumventing the second principle of thermo-dynamics.Challenge 163 e Moreover, such a system would have no thermodynamic equilibrium, because its energy could

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2015

2016

Come si misurano le precipitazioni

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!"#$%&'$&'("$)&$*"++,$'--.,/"'&,$-$!%0$"11"#"$2"--.,#2)&"$2)$344$*"5#)6$*"&5#"$-'$!#"/)1),&"$&"/"11'#)'$!"#$-"$/,&,1/"&+'$2"--"$1%"$/,,#2)&'5"$7",7#'8)/9"$!%0$"11"#"$2"--.,#2)&"$2)$3$!#)*,$2)$$*"#)2)'&,$:/9"$';;)'*,$2)*,15#'5,$-.'-5#'$-"+),&""11"#"$/,##)1!,&2"&5'$'2$3$*)7-),$*'#)&,$<3=>?$*"5#)@

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