Cosa è un lampo? Che differenza c'è con un tuono? Diciamo subito che essi sono rispettivamente l’effetto visivo e sonoro dello stesso fenomeno meteorologico: il fulmine.
I fulmini più facilmente osservabili sono quelli fra una nuvola e il suolo, soprattutto di notte, quando l’oscurità del cielo viene abbagliata da una luce viva, più forte e splendente di quella che potremmo riuscire a produrre noi esseri umani con migliaia di riflettori. Tuttavia l’origine del fenomeno non è ancora del tutto chiara.

Condizione essenziale per la formazione dei fulmini è la presenza di un particolare tipo di nube: il cumulonembo, all’interno del quale si generano forti correnti ascendenti e discendenti, nonchè numerose particelle di ghiaccio.
Sono proprio queste particelle di ghiaccio, all’interno della nuvola, ad essere ritenute l’elemento scatenante dello sviluppo dei fulmini, in quanto possono provocare la separazione forzata delle particelle con cariche positive e negative, contribuendo così all’innesco della scarica elettrica.

Gli ioni positivi e gli elettroni negativi si attraggono fortemente, ma sono separati da uno strato di aria (che è isolante), per cui si accumulano rispettivamente sulla terra e nella nube, aumentando la loro forza attrattiva, pur restando separati. Quando le cariche diventano troppo numerose, gli elettroni cominciano a formare dei piccoli camminamenti fino a raggiungere gli ioni positivi, in questo modo ioni positivi ed elettroni si neutralizzano, rilasciando una certa quantità di energia che si trasforma subito in calore e rende conduttrice tutta la striscia carica di elettroni tra il suolo e la nube. Ne consegue che la sottile striscia di aria, molto ramificata, in cui si muovono e si neutralizzano gli atomi, si trasforma in “plasma”, ovvero raggiunge temperature dell’ordine di milioni di gradi. Questo stato di plasma non è stabile e dura solo qualche millesimo di secondo, tuttavia in questo tempo estremamente breve, le particelle emettono una luce fortissima che è quella che noi vediamo e chiamiamo “lampo”.

Sappiamo inoltre che l’aria, per un principio fisico, quando viene riscaldata, si espande. Ne segue che, durante la scarica, la striscia d’aria si gonfia enormemente, generando un’onda d’urto negli strati d’aria vicini. Subito dopo (in meno di un millesimo di secondo) la situazione si normalizza, per cui l’aria non è più ionizzata e la temperatura scende ai valori che aveva prima del passaggio della scarica elettrica, per cui avviene una seconda onda d’urto dovuta al fatto che la striscia d’aria si “sgonfia”. Questa doppia onda d’urto è simile ad un battito su un tamburo, cioè emette un suono molto forte e frastagliato: è quello che noi chiamiamo “tuono”.

La teoria della relatività ristretta, o speciale, fu formulata da Einstein attorno al 1905, nel tentativo di spiegare le contraddizioni insite nella fisica classica, e si applica ai sistemi che si muovono di moto rettilineo uniforme. In seguito venne estesa, attraverso la teoria della relatività generale, ai sistemi in moto qualunque. La teoria della relatività ristretta tratta quindi i fenomeni che avvengono in sistemi di riferimento inerziali, cioè in stato di quiete o di moto rettilineo uniforme.

Questa teoria si basa essenzialmente su due postulati fondamentali :

1. Il primo postulato, o principio di relatività, stabilisce che le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali e rappresenta sostanzialmente un'estensione a tutte le leggi della natura del principio di relatività di Galileo (che riconosceva che solo le leggi della meccanica dovessero valere per tutti i sistemi di riferimento inerziali). Questo significa che i risultati di qualunque esperimento devono essere gli stessi per qualunque sistema di riferimento che si muova di moto rettilineo uniforme
2. Il secondo postulato, noto come principio di costanza della velocità della luce, afferma che la luce si propaga nel vuoto con una velocità finita, pari a:

Indipendentemente dalla velocità della sorgente che l'ha emessa. Questa secondo asserzione appare in contraddizione con l'esperienza quotidiana, essa infatti implica che un oggetto che si muove verso un osservatore abbia una velocità maggiore se contemporaneamente l'osservatore si muove in direzione dell'oggetto,secondo una regola intuitiva delle composizioni delle velocità, ovvero che la velocità di un oggetto dipenda effettivamente dal sistema di riferimento. Questo non vale per la luce.

I due postulati di Einstein, che non possono essere dimostrati, ma hanno ricevuto conferme da molti dati sperimentali, hanno mutato profondamente le nozioni di spazio e di tempo, che non possono essere più considerati assoluti. Una delle maggiori conseguenze della teoria della relatività è che due eventi che sono simultanei in un sistema di riferimento possono non esserlo in un altro.

Per esempio se noi ci mettiamo a una distanza uguale da due flash e li attiviamo contemporaneamente, ci sembrerà appunto che i due eventi siano simultanei. Se però poniamo un altro osservatore a una distanza tale che esso sia più vicino ad un flash che all'altro, quest'ultimo arriverà a lui dopo il primo, quindi i due eventi non verranno percepiti contemporanei. 

Altre sorprendenti conseguenze sono date dal fatto che, a velocità relativistiche, cioè paragonabili a quelle della luce, si riscontrano una dilatazione dei tempi, una contrazione delle lunghezze e un aumento della massa degli oggetti.

Questo per esempio comporta che se noi ci muovessimo costantemente ad una velocità vicina a quella della luce, il tempo scorrerebbe più lentamente e noi invecchieremmo più lentamente .

Ma la famosa formula che si vede sempre quando parliamo di Einstein ?

Quando si applica una forza a un oggetto, questo aumenta la sua velocità. Quando la velocità del corpo si avvicina a quella della luce, non può più aumentare, perché non può superare il valore c . Questo significa che il lavoro compiuto sul corpo va ad aumentare la sua massa, mentre normalmente il lavoro compiuto su un corpo aumenta la sua energia. Massa ed energia, secondo la teoria della relatività ristretta, sono grandezze intercambiabili, cioè la massa è una forma di energia. La relazione che lega la massa di un corpo alla sua energia, nota come equazione di Einstein, o relazione di equivalenza massa-energia, è data da:



Questa relazione, che rappresenta il cuore della teoria della relatività di Einstein, ha avuto nella fisica nucleare e nella fisica delle particelle numerosissime conferme e ha portato all'idea fondamentale secondo cui, se la massa è una forma di energia, allora può essere convertita in altre forme di energia, cosa che infatti avviene nei decadimenti delle particelle e, in particolare, nei processi di fissione e di fusione nucleare .

Le normali lampadine che vediamo tutti i giorni sono composte da un corpo sferoidale in vetro e una base a vite in metallo.
Ma cosa c’è all’interno del globo di vetro ? prima di tutto troviamo un filamento di un metallo, il Tungsteno, caratterizzato da una bassa resistenza elettrica. Questo è supportato a mezzo di bacchette di metallo e da un supporto in vetro, all’interno di un ambiente in cui è presente un gas inerte a bassa pressione: l’Argon o il Kripton, che servono a non far bruciare il filamento a causa delle alte temperature, poichè se ci fosse aria e quindi ossigeno al suo interno, il filo brucerebbe dopo poco consumandosi.
Il funzionamento della lampada con filamento di Tungsteno è riconducibile ad una serie di leggi della fisica tradizionale: prima fra tutte la legge di “Stefan-Boltzmann“, secondo la quale l’energia irradiata per secondo da un corpo nero è proporzionale alla temperatura espressa in Kelvin, elevata alla quarta potenza; ovvero 

E = σ T 4 

Dove E=energia irradiata, T=temperatura espressa in Kelvin e σ= costante di Stefan-Boltzmann.
Da ciò ne deriva che se noi sottoponiamo un corpo nero ad una certa temperatura questo emetterà energia e tanto più elevata sarà la temperatura a cui esso è sottoposto tanto tanto minore sarà la lunghezza d’onda a cui emetterà radiazione (legge di Wien).

Ora, il Tungsteno non è un corpo nero vero e proprio ma può essere assimilato ad esso.
Pertanto attraverso il passaggio di corrente il filamento di Tungsteno viene portato ad una temperatura di circa 2700K (il punto di fusione del Tungsteno è 3422°C, motivo per il quale è stato scelto), con conseguente emissione di energia, parte della quale, molto poca a dire il vero, nello spettro del visibile e quindi assimilabile come luce.
Ne consegue il motivo della scarsa efficienza luminosa dalla lampada tradizionale, infatti solo 5-7% dell’energia emessa dal Tungsteno ricade all’interno dello spettro del visibile (compreso tra 380 e 780 nm), circa il 93-95% viene emesso sopra i 780 nm, cioè nell’infrarosso (IR) , e quindi disperso come calore.

Una nuvola è formata da miliardi di goccioline d’acqua, ciascuna delle quali è a sua volta formata da circa 550 milioni di molecole d’acqua. 

Queste goccioline sono il risultato dell’evaporazione dell’acqua da oceani, mari, corsi d’acqua dolce, vegetazione e suolo. 

Il vapore acqueo viene quindi portato verso l’alto da correnti ascendenti; salendo, l’aria si raffredda e raggiunge la saturazione, cioè in pratica ricondensa e forma goccioline o cristalli di ghiaccio, solitamente di 0,01 mm di diametro. 

Quando si formano agglomerati di miliardi di queste goccioline, appare visibile la nuvola, di un tipico colore bianco, dovuto all'alta riflessione della luce (fra il 60% e il 85%) sulla superficie di queste goccioline.
A causa dell'elevata dispersione della luce nelle goccioline che compongono la nube, essa può apparire anche grigia o a volte blu scura quasi nera. Maggiore sarà la densità della nube e maggiore il suo spessore, più scura essa apparirà. Questo è il motivo per cui una nube temporalesca, appare molto scura alla base.

Le precipitazioni e quindi la pioggia possono avvenire però solo quando la forza peso risulterà maggiore della resistenza offerta dal moto ascendente che ha portato alla formazione della nube stessa e che tende a mantenere le goccioline in sospensione. 

Motivo per il quale se tira molto vento non può piovere. 

Occorrono comunque centinaia di milioni di goccioline di nube per formare una goccia di pioggia del diametro compreso tra 200 µm e qualche millimetro.