esplorazione
La fisica dei supereroi: perché da grandi ci stupiscono di più
Il libro di James Kakalios che spiega la fisica vera con i fumetti: recensione, i conti più belli rifatti e una nostra analisi di Black Panther.
Trasparenza. In questa pagina ci sono collegamenti di affiliazione, segnati con affiliazione: se compri passando da lì ricevo una piccola commissione, senza costi in più per te. Come funziona
«La fisica dei supereroi» di James Kakalios è uno di quei libri che, finito di leggere, ti fanno guardare le cose in un altro modo. Prende i supereroi dei fumetti, Superman, l’Uomo Ragno, Flash, Ant-Man, e si chiede: se i loro poteri esistessero davvero, cosa direbbe la fisica? Le risposte sono le leggi che si studiano a scuola, spiegate con un gusto che a scuola raramente si trova. Qui racconto perché mi è piaciuto tanto, rifaccio i conti più belli con qualche esempio in più, e poi provo a fare la stessa cosa con un supereroe che nel libro non c’è: Black Panther.
In breve · tocca per girareDi cosa parla «La fisica dei supereroi»?
Un professore di fisica dell’Università del Minnesota usa i fumetti per spiegare meccanica, termodinamica, elettricità e fisica quantistica.
La regola del gioco: si concede al supereroe un solo «miracolo», il potere, e tutto il resto deve rispettare la fisica vera.
Dalle formule si arriva alle cose di tutti i giorni: caschi, transistor, telefoni. E lo stupore per i supereroi, invece di sparire, cresce.
Perché mi è piaciuto così tanto
Mi è piaciuto nella sua interezza, e il motivo è semplice. Da piccoli i supereroi li guardavamo con leggerezza: Superman salta un palazzo, l’Uomo Ragno lancia una ragnatela, e basta così. Crescendo cominciamo a vedere i dettagli, a chiederci come. Questo libro fa esattamente quel passaggio: ti fa sentire grande, perché capisci cosa c’è dietro, e piccolo allo stesso tempo, perché ti accorgi di quanto sia meravigliosa anche la fisica normale.
È un po’ come la vita: da bambini tutto è leggero, poi cresciamo e vediamo il funzionamento delle cose, a volte la fatica. Ma la cosa più bella è non perdere lo stupore per quello che si è capito. Anzi, capire lo fa diventare più grande. È la stessa domanda che mi guida su questo sito: perché funziona così?
Il libro e l’autore
James Kakalios è professore di fisica all’Università del Minnesota, dove studia i materiali per l’elettronica. Ha cominciato a usare i fumetti in un corso per studenti del primo anno, e da lì nel 2005 è nato il libro, uscito negli Stati Uniti come The Physics of Superheroes e poi aggiornato in una seconda edizione. In Italia lo pubblica Einaudi con il titolo La fisica dei supereroi. Kakalios è diventato così conosciuto per questo lavoro che Hollywood lo ha chiamato come consulente scientifico per il film Watchmen.
Il libro segue una regola che trovo geniale, la «eccezione miracolosa»: a ogni supereroe si concede un solo miracolo, il suo potere, senza discutere. Ma da lì in poi tutto deve funzionare secondo le leggi vere. Se Superman può saltare un palazzo, ok; ma allora quanto devono spingere le sue gambe? E cosa succede all’asfalto sotto i piedi? Così, senza accorgertene, ripassi la meccanica di Newton, la conservazione dell’energia, la termodinamica, l’elettromagnetismo e perfino la fisica quantistica.
Superman e il salto: la gravità di Krypton
Il primo Superman, quello del 1938, non volava: saltava. «Salta un palazzo in un balzo solo», diceva lo slogan. Kakalios parte da qui. Per arrivare in cima a un edificio alto 200 metri bisogna staccarsi da terra a circa 63 metri al secondo, 226 km/h. Per raggiungere quella velocità piegando le gambe di mezzo metro, la spinta deve essere circa 400 volte il peso del corpo.
La spiegazione dei fumetti era che Superman viene da Krypton, un pianeta con una gravità molto più forte. Il libro fa il conto al contrario e arriva a una gravità circa 15 volte quella terrestre: muscoli e ossa cresciuti lì, sulla Terra, si comportano come se il corpo pesasse 15 volte meno. È lo stesso principio, in piccolo, per cui gli astronauti sulla Luna saltellavano: la gravità lunare è circa un sesto della nostra.
La morte di Gwen Stacy: non conta la velocità, conta la frenata
Il capitolo che più mi è rimasto in testa è quello su una scena famosa: in The Amazing Spider-Man n. 121, del 1973, Gwen Stacy, la fidanzata di Peter Parker, viene fatta cadere da un ponte. L’Uomo Ragno la prende al volo con la ragnatela, ma lei muore. Nel fumetto, accanto al suo collo, c’è scritto un piccolo «snap». I lettori discutono da cinquant’anni: è morta per la caduta o per la ragnatela?
Kakalios risponde con la fisica dell’impulso: per fermare un corpo che cade bisogna togliergli tutta la velocità, e la forza dipende da quanto spazio e quanto tempo si ha per farlo. La sua stima: una ragnatela che la ferma quasi di colpo la sottopone a una forza di circa dieci volte il suo peso, concentrata sul collo in un istante. È stata la ragnatela, conclude, non la caduta.
Ho rifatto il conto per una caduta da 60 metri: si arriva a circa 124 km/h. Se ci si ferma in mezzo metro, l’accelerazione è 120 volte quella di gravità; se la frenata dura 6 metri, «solo» 10 volte. È esattamente il principio su cui si basano le corde da arrampicata, che sono elastiche apposta, le cinture di sicurezza che si allungano un po’ e le zone di deformazione delle auto. La sicurezza moderna è tutta qui: allungare la frenata.
Flash: correre veloci costa carissimo
Flash corre a velocità impossibili. Il libro lo usa per parlare di attrito, resistenza dell’aria ed energia. Facciamo un conto nostro: per correre alla velocità del suono, circa 1.235 km/h, Flash dovrebbe vincere una resistenza dell’aria che si mangia circa 17 milioni di watt, la potenza di qualche migliaio di case. In calorie sono circa 4.000 kcal al secondo: dovrebbe mangiare una pizza ogni due decimi di secondo. Senza contare che, per spingersi in avanti, le sue scarpe avrebbero bisogno di un attrito con l’asfalto che nessuna suola possiede.
La resistenza dell’aria cresce con il cubo della velocità: andare al doppio della velocità richiede otto volte la potenza. È lo stesso motivo per cui un’auto consuma molto di più in autostrada a 150 che a 110 all’ora.
Ant-Man: perché rimpicciolire non funziona
Ant-Man diventa piccolo come una formica. Il problema è la legge del cubo e del quadrato, che Galileo aveva già capito nel Seicento: se dimezzi l’altezza, la superficie diventa un quarto ma il volume un ottavo. Un corpo piccolo ha tantissima superficie rispetto alla sua massa.
Ad Ant-Man questo costa caro. Alto un centesimo del normale, perderebbe calore cento volte più in fretta per ogni chilo di corpo, e dovrebbe mangiare senza sosta come un colibrì. E se invece, come in alcuni fumetti, tenesse la sua massa normale, 70 chili su piedi di pochi millimetri, la pressione sarebbe diecimila volte più alta: sprofonderebbe nel pavimento come un chiodo. Per questo in natura non esistono formiche grandi come cani né elefanti grandi come formiche: la forma di un animale dipende dalla sua taglia.
Il resto del libro: dal ghiaccio ai transistor
Il libro non si ferma alla meccanica. Con l’Uomo Ghiaccio spiega la termodinamica, cioè dove va il calore quando si gela qualcosa. Con Electro e Magneto l’elettricità e il magnetismo. La parte che mi ha sorpreso di più è quella sulla fisica quantistica: partendo da un’eroina che attraversa i muri, Kakalios arriva all’effetto tunnel, un fenomeno vero per cui gli elettroni passano attraverso barriere che non dovrebbero poter superare. E da lì ai transistor e alle memorie dei telefoni che abbiamo in tasca. Dai fumetti allo smartphone: è il tipo di collegamento che, da ingegnere, mi fa brillare gli occhi.
Il nostro supereroe: Black Panther e il vibranio
Ora proviamo noi, con un supereroe che nel libro non c’è perché è diventato famosissimo dopo, con il film del 2018: Black Panther. Nei film il suo costume è fatto di vibranio, un metallo immaginario che assorbe l’energia dei colpi e la può restituire tutta insieme, con un’onda viola. Applichiamo la regola di Kakalios: il vibranio è il nostro miracolo. Tutto il resto deve tornare.
Prima cosa: quanta energia arriva? Un pugno di un pugile porta circa 150 joule, un proiettile da pistola circa 500, una caduta da 10 metri quasi 9.000, un’auto a 50 all’ora circa 145.000. Fin qui il costume «assorbe», ed è il miracolo. Ma c’è una seconda grandezza che il cinema dimentica sempre: la quantità di moto.
L’energia si può trasformare: in calore, in deformazione, perfino, nel film, in un’onda viola. La quantità di moto no: si conserva sempre. Contro un proiettile non è un problema: la sua spinta è piccolissima e Black Panther si sposterebbe di tre centimetri al secondo. Contro un’auto sì: anche con un costume che assorbe tutta l’energia, verrebbe trascinato via a circa 47 km/h insieme all’auto. Il costume lo salverebbe dalle ferite, non dal volo. E l’energia «assorbita», se restasse lì come calore, scalderebbe in un istante 10 chili di metallo di quasi 30 gradi.
Il vibranio esiste già, a pezzi
La parte più bella è che quasi tutto quello che fa il vibranio, nella realtà, esiste già, solo diviso tra materiali diversi. E molti sono il pane quotidiano dell’ingegneria biomedica, tra protezioni e protesi.
Il casco fa la cosa più importante: allunga la frenata. La schiuma interna si schiaccia di qualche centimetro e trasforma l’energia in deformazione. È esattamente la lezione di Gwen Stacy, applicata alla testa. Per questo un casco che ha preso un colpo forte va cambiato: la schiuma schiacciata non assorbe più.
I fluidi che si induriscono sono i più vicini al vibranio dei film. Sono particelle finissime di silice sospese in un liquido: a riposo scorrono e il materiale resta morbido, ma sotto un colpo improvviso le particelle si ammassano e diventano quasi un solido. All’Università del Delaware li hanno studiati già nel 2004 per giubbotti protettivi flessibili, e oggi ci sono ricerche per protezioni contro lame e proiettili.
Le protesi da corsa, le lame in fibra di carbonio, fanno l’altra metà del vibranio: restituiscono l’energia. Quando il piede tocca terra la lama si piega e immagazzina energia elastica, poi si raddrizza e spinge. Gli studi riportano un’energia restituita che va dal 63% a quasi il 100%, a seconda del modello e del metodo di misura. È lo stesso principio della molla, ma progettato per un corpo umano.
Il vibranio dei film fa tutte queste cose insieme, sempre, senza rompersi e senza consumarsi. Ecco il vero miracolo. Ma ognuno di quei pezzi esiste, e qualcuno ci lavora ogni giorno.
Perché funziona così: quello che ci insegnano i supereroi
Messi in fila, i supereroi di Kakalios insegnano tre idee che valgono per tutta l’ingegneria. La prima: conta lo spazio della frenata, che salva vite in auto, in bici e in montagna. La seconda: la taglia cambia le regole, per cui non si può prendere un oggetto e semplicemente rimpicciolirlo o ingrandirlo. La terza: l’energia si trasforma, la quantità di moto si conserva, e ogni progetto deve fare i conti con entrambe.
Per chi vuole approfondire: la fisica · tocca per aprire
1. Il salto di Superman. Per salire di un’altezza h serve una velocità iniziale v = √(2gh). Con h = 200 m e g = 9,81 m/s2: v = √(2 × 9,81 × 200) ≈ 62,6 m/s. Se le gambe hanno d = 0,5 m per accelerare, l’accelerazione media è a = v2/(2d) = 62,62 ÷ 1 ≈ 3.900 m/s2, cioè circa 400 g.
2. La frenata di Gwen Stacy. Cadendo da H = 60 m: v = √(2 × 9,81 × 60) ≈ 34,3 m/s. Fermarsi in uno spazio d richiede un’accelerazione a = v2/(2d). Con d = 0,5 m: a ≈ 1.180 m/s2 ≈ 120 g. Con d = 6 m: ≈ 10 g. La forza è F = m·a: per una persona di 55 kg, a 10 g sono circa 5.400 newton, il peso di oltre mezza tonnellata.
3. La potenza di Flash. La resistenza dell’aria richiede una potenza P = ½ ρ Cd A v3. Con densità dell’aria ρ = 1,2 kg/m3, coefficiente di forma Cd ≈ 1, sezione A ≈ 0,7 m2 e v = 343 m/s: P ≈ ½ × 1,2 × 1 × 0,7 × 3433 ≈ 17 milioni di watt. Divisi per 4.184 joule a caloria: circa 4.000 kcal ogni secondo.
4. Il cubo e il quadrato. Se l’altezza si riduce di un fattore k, la superficie si riduce di k2 e il volume di k3. Il rapporto superficie/volume cresce quindi di k: con k = 100, cento volte. Se la massa resta la stessa e l’area dei piedi si riduce di k2 = 10.000, la pressione sul pavimento aumenta di 10.000 volte.
5. Black Panther e l’auto. Energia: E = ½ m v2 = ½ × 1.500 × 13,92 ≈ 145.000 J. Quantità di moto: p = m v = 1.500 × 13,9 ≈ 20.800 kg·m/s. Se Black Panther (90 kg) «assorbe» l’urto restando attaccato all’auto, si muovono insieme: v’ = p ÷ (1.500 + 90) ≈ 13,1 m/s, circa 47 km/h. Il calore in 10 kg di metallo con calore specifico c ≈ 500 J/(kg·°C): ΔT = E ÷ (m·c) = 145.000 ÷ 5.000 ≈ 29 °C.
Per chi è questo libro
Lo consiglio a chi ama i fumetti e non ha mai avuto simpatia per la fisica: è il modo più divertente che conosco per fare pace con le formule. Ma lo consiglio anche a chi la fisica la studia o la usa per lavoro, perché fa una cosa rara: ti ricorda perché ti era piaciuta. Le formule ci sono, ma sono sempre al servizio di una domanda curiosa, e non serve saperle già.
L’edizione italiana è di Einaudi, tradotta da L. Lilli. La trovate in libreria oppure su Amazonaffiliazione.
Non ho nessun accordo con l’editore: è solo un libro che mi è piaciuto molto. Il collegamento ad Amazon, invece, è di affiliazione: se lo comprate passando da lì ricevo una piccola commissione, senza nessun costo in più per voi.
Provalo tu
Se ti è piaciuto questo modo di guardare le cose, sul sito ci sono altri posti dove la fisica è il filo conduttore: le sette formule che ogni ingegnere si porta dietro, la serie «Ritorno alla Luna» con l’equazione del razzo spiegata passo passo, e per restare in tema di protesi la storia della mano che sente con i magneti.
Fonti
- James Kakalios, La fisica dei supereroi, Einaudi, traduzione di L. Lilli (scheda del libro)
- Wikipedia, The Physics of Superheroes e James Kakalios
- Publishers Weekly, recensione del libro (la gravità di Krypton)
- University of Chicago Magazine, il capitolo su Gwen Stacy come lezione di impulso e quantità di moto
- Università del Delaware, la «armatura liquida» con fluidi che si induriscono (2004)
- Studio su Molecules, protezioni antitaglio con fluidi che si induriscono (2022)
- L. Hawkins, Bournemouth University, tesi sull’energia restituita dalle protesi da corsa
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