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Dieci centesimi nel palloncino

Questo è uno dei miei esperimenti preferiti per illustrare alcuni aspetti, a me molto cari, dell’insegnamento scientifico:

  1. in una buona “lezione” di scienze ci deve essere un po’ di spettacolo, una sorpresa e un pizzico di umorismo;
  2. lo spirito scientifico si sviluppa facendo osservazioni, ipotesi, esperimenti e misure;
  3. le cose si imparano meglio usando più sensi: vista, udito, tatto, odorato, gusto, cinestesia, …;
  4. si può fare una valida attività scientifica con oggetti di uso comune e poco costosi;
  5. un buon esperimento scientifico non è mai fine a se stesso ma è un punto di partenza da cui sviluppare una rete di collegamenti.
  • L’alunno esplora e sperimenta, in laboratorio e all’aperto, lo svolgersi dei più comuni fenomeni, ne immagina e ne verifica le cause; ricerca soluzioni ai problemi, utilizzando le conoscenze acquisite.
  • Sviluppa semplici schematizzazioni e modellizzazioni di fatti e fenomeni ricorrendo, quando è il caso, a misure appropriate e a semplici formalizzazioni.
  • Ha curiosità e interesse verso i principali problemi legati all’uso della scienza nel campo dello sviluppo scientifico e tecnologico.

Per la scuola secondaria di primo grado.

  • Utilizzare i concetti fisici fondamentali quali: pressione, volume, velocità, peso, peso specifico, forza, …, in varie situazioni di esperienza; in alcuni casi raccogliere dati su variabili rilevanti di differenti fenomeni, trovarne relazioni quantitative ed esprimerle con rappresentazioni formali di tipo diverso.
  • Realizzare esperienze quali ad esempio: piano inclinato, galleggiamento, vasi comunicanti, riscaldamento dell’acqua, fusione del ghiaccio, costruzione di un circuito pila-interruttore-lampadina.
  • Costruire e utilizzare correttamente il concetto di energia come quantità che si conserva; individuare la sua dipendenza da altre variabili; riconoscere l’inevitabile produzione di calore nelle catene energetiche reali. Realizzare esperienze quali ad esempio: mulino ad acqua, dinamo, elica rotante sul termosifone, riscaldamento dell’acqua con il frullatore.

Per la scuola primaria

  • Individuare, attraverso l’interazione diretta, la struttura di oggetti semplici, analizzarne qualità e proprietà, descriverli nella loro unitarietà e nelle loro parti, scomporli e ricomporli, riconoscerne funzioni e modi d’uso.
  • Individuare strumenti e unità di misura appropriati alle situazioni problematiche in esame, fare misure e usare la matematica conosciuta per trattare i dati.

Che cosa vi serve?

  • Alcuni palloncini gonfiabili di diversi colori. In particolare ne servirà qualcuno che sia il più possibile trasparente.
  • Una pompetta per gonfiare i palloncini.
  • Una moneta da 10 centesimi.

Presentazione alla classe

L’attività introduttiva è la seguente: infilate una moneta da 10 cent in un palloncino, gonfiate il palloncino e fate rotolare velocemente la moneta al suo interno come una moto che corre in una gabbia sferica. Si sente un rumore che ricorda il volo di un calabrone.

Inventate una storiella per presentare l’attività alla classe. A me piace, per esempio, dire ai ragazzi:

“Oggi vi insegno uno scherzo che potete fare ai vostri nonni (o ai genitori, o ai fratelli e sorelle). Ditegli che avete catturato una zanzara e l’avete chiusa in un palloncino. Per dimostrarlo, fategli sentire il suono del suo volo, così…”

Attività 1: olfatto, gusto, udito e cinestesia

Prendete un palloncino colorato, inserite al suo interno una moneta da 10 centesimi e gonfiatelo, questa volta con il vostro fiato.

Mentre gonfiate il palloncino, fate attenzione al suo sapore e al suo odore.

Concentratevi inoltre sullo sforzo che dovete fare con il diaframma e i muscoli intercostali. All’inizio la pressione è alta, poi diminuisce gradualmente.

Come si spiegano le differenze di pressione che si percepiscono gonfiando un palloncino?

Inserite una moneta da 10 centesimi nel palloncino. Il palloncino sgonfio è bianco ma, una volta gonfiato, sarà trasparente.

Mettete in rotazione la moneta dentro il palloncino. È più facile di quanto sembri. Basta agitare il palloncino imprimendogli un moto rotatorio come quando si mescolano caffè e zucchero in una tazzina.

La moneta dapprima salta disordinatamente qua e là, poi inizia a rotolare. Si sente allora un suono particolare, un ronzìo, come il volo di un calabrone.

Come si spiega il suono della moneta che rotola nel palloncino?

A questo punto bisogna tenere il palloncino verticalmente, come illustrato nella figura seguente e soprattutto bisogna sincronizzare con precisione i movimenti delle mani con il moto della moneta. Se vi sincronizzate bene potete far rotolare la moneta a una velocità molto alta.

Come si fa a controllare il moto della moneta senza vederla?

Usando l’udito e le sensazioni muscolari:

  • più alta è la frequenza del suono e più veloce è la moneta;
  • la forza centrifuga che si esercita sulla parete del palloncino ci rivela, attraverso i nostri muscoli, dove si trova la moneta.

Come si deve muovere il palloncino per far rotolare velocemente la moneta. I movimenti della parte inferiore del palloncino devono seguire un ritmo sempre più veloce e sincronizzato con la rotazione della moneta.

Attività 2: vista

Noi ora vogliamo vedere e magari anche filmare o fotografare il moto della moneta.

Come si può fotografare la moneta che rotola nel palloncino?
La risposta è semplice: usiamo un palloncino trasparente.

Come avete fatto prima, inserite una moneta nel palloncino e gonfiatelo. Questa volta usate una pompetta e non il vostro fiato.

Che differenza c’è fra l’aria espirata dai nostri polmoni e l’aria atmosferica?

Una moneta da 10 centesimi in un palloncino (quasi) trasparente. La fotografia è scattata dal basso. La moneta è appoggiata sul fondo del palloncino.

Dovete risolvere un altro problema. Il materiale con cui è fatto il palloncino non è perfettamente trasparente ma riflette e diffonde la luce. L’uso del flash peggiora la situazione. Non si vede la moneta che rotola!

Il palloncino (quasi) trasparente riflette la luce del flash e diffonde la luce che lo attraversa. Il risultato è che non si riesce a fotografare la moneta al suo interno.

Cosa si può fare per ridurre i riflessi di luce sulla superficie del palloncino?

Andare alla finestra e fotografare il palloncino in controluce.

Attività 3: fermare il tempo

La fotografia permette di fermare il tempo. La moneta risulta congelata nella posizione che occupa in un preciso istante.

Se la luce è abbastanza forte, il tempo di esposizione è di circa 1/500 di secondo.

Bisogna scattare molte fotografie e scegliere quelle più interessanti.

La freccia rossa indica la moneta che rotola all’interno del palloncino. Tempo di esposizione: 1/400 sec.

Per capire meglio questo aspetto, fate ruotare velocemente un oggetto di legno legato a un filo. Fotografatelo rispettivamente con il flash e senza il flash.

Le due fotografie seguenti mostrano i risultati ottenuti:

  1. il lampo del flash dura circa 1/1000 di secondo e congela perfettamente l’immagine;
  2. senza il flash, invece, il tempo di esposizione è di circa 1/3 di secondo durante il quale il nostro oggettino di legno compie un intero giro e forse più di uno; la fotografia quindi risulta mossa.
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In questa foto scattata con il flash elettronico, il moto circolare di un oggetto legato a un filo appare "congelato". Tempo del lampo: 1/1000 sec. circa.

 

In questa foto mossa, si intravede la traiettoria circolare dell'oggetto di legno legato a un filo. Tempo di esposizione: 1/3 sec.

 Attività 4. Osservare

Osservate le seguenti fotografie. C’è un minimo di elaborazione grafica: la freccia rossa indica la moneta mentre la curva tratteggiata descrive la traiettoria della moneta.

Quali osservazioni interessanti si possono fare sul moto della moneta nel palloncino?

La moneta è (quasi) perpendicolare rispetto alla superficie del palloncino. Tempo di esposizione: 1/400 sec.

 

La moneta è (quasi) perpendicolare rispetto alla superficie del palloncino. Tempo di esposizione: 1/500 sec.

 

In questo esempio, si nota bene che il moto della moneta è circolare. Tempo di esposizione: 1/640 sec.

Per esempio, si può notare che (approssimativamente):

  • la moneta si mantiene perpendicolare alla superficie del palloncino;
  • la traiettoria della moneta è circolare.

 Attività 5. Contare, misurare

A qualcuno possono venire in mente domande quantitative, per esempio:

Qual è la velocità (istantanea) della moneta?

Quanti giri fa al secondo?

Se fermiamo il palloncino, per quanto tempo la moneta continua a girare prima di fermarsi? 

Per rispondere alla prima domanda, potete usare uno strumento musicale e individuare, a orecchio, la frequenza del suono della moneta. Più alta è la frequenza e più veloce è la moneta.

Noi abbiamo fatto ruotare la moneta ad una velocità abbastanza alta e costante e abbiamo appurato che il suo suono corrisponde alla nota re (6) più o meno un tono (do – re – mi).

Grazie alla tastierista Elisa e a Dana abbiamo potuto valutare la frequenza del suono emesso dalla moneta che rotola dentro il palloncino.

Conoscendo la frequenza del suono, come è possibile calcolare la velocità della moneta?

Il bordo della moneta da 10 centesimi è merlato. Sono proprio i dentelli della merlatura che, battendo contro la superficie del pallone, generano il suono.

Il bordo smerlato della moneta da 10 centesimi. La moneta da 10 centesimi ha un diametro di 19,75 mm, è spessa 1,93 mm e pesa 4,19 grammi.

Per calcolare la velocità della moneta, dobbiamo anche sapere quanti dentelli ha la moneta stessa e qual è il suo diametro.

Come nei casi precedenti, una fotografia ci può aiutare.

La moneta da 10 centesimi di euro ha il diametro di 19,75 mm e sul suo contorno ci sono 40 dentelli uguali.

I puntini rossi nella fotografia aiutano a contare i dentelli. Per tracciare i puntini abbiamo esaminato una foto ad alta risoluzione.

 

Tabella delle frequenze delle note musicali. La frequenza di riferimento è il La4 = 440 Hz, il cui tasto si trova in posizione centrale sulla tastiera del pianoforte.

La velocità tangenziale della moneta (in metri al secondo) si ottiene applicando la seguente formula:

v = (f / n) · 3,14 · d

dove:

  • v = velocità della moneta;
  • f = frequenza del suono emesso dalla moneta;
  • n = numero di dentelli della moneta;
  • d = diametro della moneta espresso in metri.

Per esempio, se la frequenza del suono è 2349 Hz (Re7), allora la velocità della moneta è:

v = (2349/40) · 3,14 · 0,01975 = 3, 64 m/s che corrispondono a circa 13 km/h

È finita la lezione, chi fa scoppiare il palloncino?

Per alcuni alunni il momento più atteso è quello in cui si fa scoppiare il palloncino, alla fine della lezione.

Anche questa attività è fonte di domande scientifiche.

Perché un pallocino, quando scoppia, fa un forte botto?

Di che materiale è fatto il palloncino?

Da cosa dipende la sua elasticità?

Perché il palloncino gonfiato con il fiato è bagnato all’interno mentre quello gonfiato con la pompetta è asciutto?

Compito a casa: inventare

A me piace assegnare, alla fine di ogni attività sperimentale, il seguente compito a casa:

Scegliete un aspetto che vi ha colpito e inventate un’applicazione pratica utile per l’umanità.
Si accettano anche invenzioni già fatte da altri, purché documentate.

Lo so, sembra un compito molto impegnativo, e infatti lo è. Ma ricordate che anche lo stecchino dei ghiaccioli è un’applicazione pratica utile per l’umanità derivata da osservazioni scientifiche. Non è necessario essere grandi inventori ma basta collegare la fantasia al senso pratico.

Vi faccio un esempio. Attila, un alunno di terza media, si è concentrato particolarmente su due aspetti:

  1. il coordinamento motorio necessario per mantenere la moneta in moto a una velocità sempre più alta;
  2. l’effetto giroscopico: se cambiamo l’orientamento del palloncino, il moto circolare della moneta tende a mantenersi sempre sullo stesso piano.

Attila ha ritrovato questi due aspetti nella Powerball, un piccolo attrezzo ginnico con il quale egli si allena per migliorare l’articolazione del polso e potenziare i muscoli dell’avambraccio.

La Powerball è una sfera che può essere agevolmente tenuta nel palmo di una mano, contenente al suo interno un giroscopio, cioè un’altra sfera che viene messa in rotazione ad altissima velocità.

L’esercizio base consiste nel mantenere in rotazione il giroscopio della Powerball a un numero di giri altissimo (da 5000 a 15000 giri/min). Per compiere questa operazione serve coordinamento motorio e una notevole forza muscolare.

Infatti, la palla a riposo pesa circa 0,5 kg, ma facendo ruotare il rotore interno e portandolo a 15.000 giri al minuto, la powerball sviluppa una forza di circa 20 kg, senza bisogno di motori elettrici, solo sfruttando il movimento delle braccia e la forza giroscopica innescata dalla rotazione.

La Powerball è grande come una palla da tennis.

 

Come si impugna la Powerball.

Secondo il sito ufficiale della Powerball, questo attrezzo può giovare molto agli sportivi che praticano il tennis, la pallacanestro, la pallavolo, il free climbing e persino ai musicisti che suonano strumenti come il violino, il pianoforte, la chitarra e le percussioni.

 Per (non) concludere

Vi trascrivo qui l’elenco delle domande che ho scritto in rosso in questo articolo.

Alcune hanno avuto un risposta, altre sono rimaste aperte.

  1. Come si spiegano le differenze di pressione che si percepiscono gonfiando un palloncino?
  2. Come si spiega il suono della moneta che rotola nel palloncino?
  3. Come si fa a controllare il moto della moneta senza vederla?
  4. Come si può fotografare la moneta che rotola nel palloncino?
  5. Che differenza c’è fra l’aria espirata dai nostri polmoni e l’aria atmosferica?
  6. Cosa si può fare per ridurre i riflessi di luce sulla superficie del palloncino?
  7. Quali osservazioni interessanti si possono fare sul moto della moneta nel palloncino?
  8. Qual è la velocità (istantanea) della moneta?
  9. Quanti giri fa al secondo?
  10. Se fermiamo il palloncino, per quanto tempo la moneta continua a girare prima di fermarsi?
  11. Conoscendo la frequenza del suono, come è possibile calcolare la velocità della moneta?
  12. Perché un pallocino, quando scoppia, fa un forte botto?
  13. Di che materiale è fatto il palloncino?
  14. Da cosa dipende la sua elasticità?
  15. Perché il palloncino gonfiato con il fiato è bagnato all’interno mentre quello gonfiato con la pompetta è asciutto?
  16. Scegliete un aspetto che vi ha colpito e inventate un’applicazione pratica utile per l’umanità.
    Si accettano anche invenzioni già fatte da altri, purché documentate.

In teoria, ogni attività scientifica potrebbe espandersi illimitatamente fino a coprire l’intera scienza.

In pratica, a un certo punto bisogna concludere, lasciando però sempre l’appuntamento alla prossima puntata!

Se avete altre idee o correzioni da proporre per questo articolo, non esitate a inviare un commento.

 

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