Contenuti. Cosa si intende per Dinamica? Il rapporto tra Forza e Dinamica. Quale pista è più veloce? Loop. Cos è l Energia? Perché la palla si ferma?

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1 Profi Dynamic ITA Cosa si intende per Dinamica? Il rapporto tra Forza e Dinamica Quale pista è più veloce? Loop Cos è l Energia? Perché la palla si ferma? Scontro di palle Percorsi a ostacoli Contenuti

2 ITA Profi Dynamic Cosa si intende per Dinamica? Incontriamo la dinamica ogni giorno, nelle nostre attività quotidiane, e spesso neppure ci facciamo caso, perché siamo troppo abituati alle sue manifestazioni! Parliamo di dinamica, infatti, ogni volta che siamo in presenza di qualcosa che si muove. La sperimentiamo quando ci alziamo, alla mattina, e ci spostiamo dal nostro letto al bagno, o al tavolo della colazione. E ancora quando andiamo al lavoro o a scuola, in machina o a piedi. Subiamo gli effetti della dinamica anche in tutti gli sport che possiamo praticare nel tempo libero o possiamo osservarla in azione anche solo restando fermi a guardare altre persone che si muovono. Divertirsi con la Fisica La dinamica ci permette di divertirci e vivere esperienze entusiasmanti, come giocare a palla, sciare, andare in bicicletta, sullo skateboard o sulle montagne russe. Perciò la dinamica arricchisce le nostre vite, come abbiamo cercato di esprimere con il motto Divertirsi con la Fisica! Prova a pensare a dove incontri la dinamica nella tua vita di tutti i giorni! Guidando l automobile Correndo, camminando, saltando... Lo sapevi che la dinamica è un ramo della fisica che studia tutti i processi coinvolti nel movimento? Alcuni di questi effetti fisici sono illustrati e spiegati nelle attività che ti proporremo in questo libretto.

3 Profi Dynamic ITA Per capire le manifestazioni della dinamica è necessario prima capire cosa le causa. Le prossime due semplici Attività spiegano perché qualcosa si muove. Nell introduzione abbiamo già stabilito che, ogni volta che qualcosa si muove, è coinvolta la dinamica. Monta il modello per l esperimento 1 (pista piatta) per eseguire le prossime attività. Il rapporto tra Forza e Dinamica Posiziona una pallina sulla pista e spingila delicatamente (con pochissima forza). Cosa succede? Quanto viene accelerata la palla da questa spinta leggera? Modello per l esperimento 1 Si muove molto lentamente, può persino fermarsi. L accelerazione è minima. Ora posiziona un altra pallina sulla pista e spingila un po più forte rispetto alla prima attività proposta (esercita una forza maggiore). Cosa succede? Quanto viene accelerata la palla da questa spinta? Perché gli oggetti si muovono La pallina si muove più velocemente rispetto a quanto faceva nella prima attività. Il risultato di questo esperimento non è sorprendente, perché è ciò che vedi accadere ogni giorno, nei tuoi gesti quotidiani. Ma ti sei mai chiesto cos abbia a che fare con la forza che tu eserciti per muovere la palla?

4 ITA Profi Dynamic Spiegazione Fisica Il rapporto è costituito da una massa (peso della pallina) e una forza di accelerazione (la pallina viene accelerata da una posizione di riposo) e questo richiede che si eserciti una forza (forza muscolare). Questo rapporto può essere espresso attraverso un equazione che viene usata come definizione di Forza. Forza = Massa Accelerazione oppure, utilizzando le appropriate abbreviazioni della fisica: F = m a Sir Isaac Newton ( ), fisico Più o meno forza? Nel secondo esperimento hai esercitato una forza maggiore, ma la massa della pallina è rimasta la stessa. Per questo motivo l accelerazione che ha interessato la seconda palla è stata maggiore rispetto a quella che ha influito sulla prima. La forza si misura in Newton [N]. Quest unità di misura prende il nome da Sir Isaac Newton, che per primo formulò le leggi fondamentali del moto. Ora puoi valutare se per la seguente attività, presa dalla vita quotidiana, sia richiesta maggiore o minore forza: Stai andando in bici tutto solo. Lungo la strada incontri un amico che ti chiede un passaggio: si siede sul tuo portapacchi e continuate la strada insieme. Per accelerare tanto velocemente quanto prima, avrai bisogno di maggiore o minore forza? Ovviamente hai bisogno di più forza, se vuoi accelerare quanto prima, perché la massa da muovere è maggiore.

5 Profi Dynamic ITA Prova ad accelerare due palle con due pesi diversi, per esempio una pallina da tennis e una palla metallica per il getto del peso. Se provi a lanciare entrambe esercitando tutta la forza possibile, quale credi che accelererà più velocemente o, in altre parole, quale arriverà più lontano? Quale palla vola più lontano? A parità di forza, la pallina da tennis accelererà più velocemente, perché è più leggera. Per la stessa ragione andrà anche più lontano. La prossima attività è un po più complicata, ma può comunque essere spiegata. Le tue nuove conoscenze ne sono la chiave: Il corridore 1 e il corridore 2 sono egualmente forti (cioè hanno la stessa forza muscolare) e si trovano a gareggiare su una pista da 100 m. Il corridore 1 accelera più velocemente del corridore 2. Quale corridore è teoricamente più pesante? Consiglio: Usa la tua nuova nozione (Forza = Massa x Accelerazione). Pensa a come l equazione sulla forza può applicarsi a ciascuno dei due corridori. Chi è più pesante? Teoricamente il secondo corridore dovrebbe essere più pesante. Infatti, a parità di forza, accelera più lentamente.

6 ITA Profi Dynamic Quale pista è più veloce? Ora che sappiamo che la forza è coinvolta in tutti i movimenti, il prossimo esperimento tenterà di dimostrare se il percorso ha qualche influenza sul moto. Monta il modello per il secondo esperimento (modello sperimentale 2: accelerazioni) con le due piste con inclinazione differente: una pista è curvata verso l alto, l altra verso il basso. Quando avrai finito l assemblaggio, inizia l esperimento. Posiziona una palla in cima a ciascuna pista. Prima di lasciar andare la palla prova a supporre qual è, secondo te, la pista più veloce. Ora puoi lasciar andare le due palline contemporaneamente. Potresti anche chiederti perché le palline rotolano verso il basso. Ecco un suggerimento: la ragione è la stessa per la quale le cose cadono a terra. Allora: avevi scommesso sulla pista giusta? Sulla pista arcuata verso il basso ( convessa ) la pallina scorre più velocemente. Perché? L altra pista ( concava ) è più lunga dell altra? No, ogni pista è composta da tre segmenti uguali. Forse la cosa ha a che vedere con la forma data al percorso? Cerchiamo di scoprirlo con l enciclopedia matematica. Matematicamente... Il problema del percorso più veloce fu risolto nel 1696 dal matematico Johann Bernoulli ed è conosciuto, in matematica, come il problema della brachistocrona. Quando cercò di risolvere questo problema molto complesso, Bernoulli si rese conto che la curva che si percorre il più velocemente possibile è una curva arcuata verso il basso, meglio conosciuta come cicloide o curva di rotolamento. La percorrenza su questa curva è più veloce persino di quella su una linea retta, anche se questa rappresenta il percorso più corto tra due punti. La curva di rotolamento è chiamata cicloide perché questa curva potrebbe essere generata facendo rotolare un cilindro lungo un piano.

7 Profi Dynamic ITA Chiedendoti perché una pallina rotola verso il basso, probabilmente hai riflettuto sul fatto che non è necessario esercitare alcuna forza perché ciò avvenga. Se ora pensi al nostro primo esperimento, ricorderai sicuramente che il moto non è possibile senza l azione di una forza. In questo caso, la forza che attira la pallina verso il basso è la cosiddetta forza di gravità, che agisce tutte le cose presenti sulla terra. La forza di gravità è intorno a noi, ogni giorno. È la forza che causa la caduta perpendicolare degli oggetti verso il suolo. Pensa ad alcuni esempi in cui ciò appare evidente: bungee jumping tuffi, salti dalle scogliere, paracadutismo una mela che cade da un albero... Perché la pallina si muove verso il basso? La forza di gravità nella vita di tutti i giorni... Sai che c è una forza di gravità anche sulla luna, che esercita la luna stessa? Hai mai visto dei video degli astronauti sulla luna? Gli astronauti possono saltare considerevolmente più in alto e più lontano rispetto a quanto fanno sulla terra. Infatti, poiché la luna è molto più piccola del nostro pianeta, la forza gravitazionale che esercita è significativamente inferiore a quella terrestre. Questo significa che, ogni volta che si salta sulla luna, si va molto più lontano che sulla terra....e sulla luna?

8 ITA Profi Dynamic Looping Ora che abbiamo stabilito l esistenza della forza di gravità, possiamo procedere con il prossimo esperimento. Probabilmente ti è capitato di andare in un parco dei divertimenti con giostre e montagne russe e sicuramente avrai notato l impressionante serie di anelli che compongono l ottovolante. Costruisci il modello sperimentale 3 (loop) per eseguire la prossima attività. Dopo aver montato il modello loop, puoi iniziare l esperimento. Prova a determinare quanto in alto devi posiozionare la pallina perché sia in grado di eseguire un giro completo attraverso l anello che hai costruito. Inoltre cerca di capire perché la pallina non cade per terra quando si trova sospesa nel punto più alto dell anello, visto che, per effetto della forza di gravità, tutti gli oggetti dovrebbero cadere al suolo. Cosa succede nell anello? Se sei mai stato su un ottovolante saprai certamente che, quando passa su uno dei giri ad anello che compongono le rotaie, i passeggeri sono premuti nei loro posti. Lo stesso succede, ad esem- pio, quando, tenendo le mani di qualcuno, giri in tondo: si ha la sensazione di essere tirati verso l esterno. Questo fenomeno fisico è conosciuto come forza centrifuga. Quando la pallina attraversa l anello che hai montato accade ciò: nel punto più alto dell anello la forza centrifuga che tira verso l alto è maggiore della forza di gravità che tira verso il basso: questo fa sì che la pallina rimanga sulla pista anziché cadere a terra. Se la pallina cade significa che la forza di gravità è maggiore della forza centrifuga: la forza centrifuga è troppo debole quando la pallina accelera troppo lentamente. Prova ad individuare gli sport in cui la forza centrifuga è fondamentale. Un suggerimento: solitamente gli atleti molto forti, come quelli che partecipano alle Olimpiadi, sfruttano la forza centrifuga girando in circolo. Lancio del martello Lancio del Disco Centrifugal force Getto del Peso Gravitational force

9 Profi Dynamic ITA Ora che abbiamo appreso tanto sulla forza e il movimento, procediamo con gli esperimenti. I prossimi sono volti ad indagare più approfonditamente l argomento dell energia. Certamente ti chiederai cosa c entra l energia con la forza e il movimento. Ma quando proverai a capire a cosa ti serve l energia, la risposta a questa domanda ti sembrerà chiara. L energia è necessaria: Cos è l Energia? per esercitare una forza per accelerare o sollevare un corpo per riscaldarsi o riscaldare qualcosa per far circolare la corrente elettrica semplicemente per vivere: gli esempi di questo tipo sono o tutti gli uomani, gli animali e le piante L energia è disponibile in varie forme e queste, a loro volta, possono essere convertite in altre forme di energia. Nel prossimo esperimento sarà necessario capire la differenza tra energia di movimento ed energia a riposo. Varie forme di Energia L energia di movimento è chiamata anche energia cinetica ed è presente ovunque un oggetto è in movimento. Un esempio di ciò è la pallina che rotola inclusa in questo set: si muove e quindi ha energia di movimento. L energia a riposo, conosciuta anche come energia potenziale, aumenta con l aumentare dell altezza in cui l oggetto si trova. Ciò significa che, ad esempio, una palla ferma su un tavolo ha più energia potenziale di una palla ferma a terra. Queste nozioni sono sufficienti, ora proviamo a capirle praticamente. Per farlo, costruisci il modello per esperimento 4 (half-pipe). Lascia andare una pallina posizionata nel punto più alto di una delle due sponde dell halfpipe e guarda cosa accade. Considera che forme di energia sono coinvolte e prova a ipotizzare dove queste sono maggiori.

10 ITA Profi Dynamic La Fisica dice: Non puoi creare qualcosa dal nulla Half-pipe Per capire l half-pipe, è necessario conoscere la legge di conservazione dell energia. La legge di conservazione dell energia dice che la quantità totale dell energia in un sistema isolato rimane sempre la stessa. L energia non si può creare dal nulla e non può neppure scomparire. L energia può solo trasformarsi, da un forma a un altra. Nell esperimento con la pista half-pipe, sono pressenti due diverse forme d energia: l energia cinetica l energia potenziale L energia immessa in questo esperimento è l energia dei tuoi muscoli che sollevano la pallina nel punto più alto della pista. Ciò dà alla pallina più energia potenziale. Come enunciato dalla legge di conservazione dell energia, quest energia può essere convertita in energia cinetica non appena si lascia andare la pallina. L energia potenziale della pallina è maggiore quando la pallina viene lasciata andare ed è minore nel punto più basso della pista. L energia cinetica si comporta in modo esattamente opposto all energia potenziale. Infatti è nulla prima che la palla venga rilasciata, perché non si muove niente. Al contrario diventa massima nel punto più basso della pista, perché è il punto in cui la pallina si muove più velocemente. L energia si misura in Joule [J]. Quest unità di misura prende il nome dal fisico inglese James Prescott Joule. L Energia nella vita quotidiana Ci confrontiamo quotidianamente con l energia, così come accade con le forze. Per esempio: hai mai notato le scritte sui cibi confezionati? Ogni scatola di cereali, caramelle, ecc. (praticamente tutti i cibi confezionati) riporta questi avvisi. Spesso indicano le calorie contenute nell alimento in oggetto: questo valore indica l ammontare dell energia contenuta nel cibo. Il termine Calorie è usato perché l energia deglie alimenti viene bruciata nel nostro organismo, per poter essere usata per correre, saltare o pensare. Le calorie, in genere, vengono riportate in Chilojoule [KJ], che corrispondono a 1000 Joule [J] e in chilocalorie [kcal] corrispondenti a 1000 calorie [cal]. Probabilmente hai già incontrato quest unità di misura, le chilocalorie: è un altra unità di misura dell energia, simile ai Joule. È molto semplice convertire un unità di misura nell altra, basta semplicemente usare la seguente formula: 1 Chilojoule 4,18 Chilocalorie o, utilizzando le adeguate abbreviazioni della fisica: James Prescott Joule ( ) 1 kj 4,18 kcal

11 Profi Dynamic ITA Nella precedente Attività abbiamo stabilito che l energia può essere trasformata ma non perduta, perciò viene spontaneo chiedersi: e allora perché la pallina a un certo punto si ferma? Se l energia non si perde, la palla non dovrebbe continuare a muoversi all infinito? Perché la palla si ferma? Esegui la precedente attività usando nuovamente il modellino 4 (half-pipe). Questa volta, però, cerca di stabilire perché la pallina a un certo punto si ferma. Un suggerimento: fai scorrere il dito lungo la pista. Sentirai una resistenza e noterai che la superficie della pista non è perfettamente liscia. Questo effetto è noto come attrito. Probabilmente hai già sentito questa parola, ma cos è esattamente l attrito e da dove arriva? L attrito è una forza che agisce su due oggetti quando le loro superfici si toccano. Nel nostro caso, per capire perché la pallina si ferma, è necessario osservare la superficie della palla e della pista molto ingrandite. Se ora immagini le superfici come se si agganciassero costantemente tra loro, è chiaro perché la pallina, che deve costantemente superare questi piccoli ostacoli, dopo un po rallenti. Fisicamente l energia è in questo caso convertita in calore (energia termica), per effetto dell attrito. Quando la palla smette di rotolare, tutta l energia iniziale è stata convertita in calore, per effetto della frizione costante tra le due superfici. Il calore risultante viene chiamato energia dissipata, perché è una forma di energia che non può più essere usata e quindi, per così dire, viene sprecata. Superfici estremamente ingrandite La Fisica dell Attrito L attrito si suddivide in: attrito statico, attrito radente e attrito volvente. Attrito Statico: l attrito è così forte che le due superfici aderiscono l una all altra e i due oggetti interessati non si muovono. Attrito Radente: la frizione è appena sufficiente per consentire lo scorrimento di due superfici l una sull altra. Attrito Volvente: questo tipo di attrito avviene quando un oggetto rotola su una superficie. Puoi sperimentare gli effetti della frizione sfregandoti le mani tra loro: noterai che si riscalderanno molto velocemente. Visto che ora conosci i tre tipi di attrito, puoi assegnare ciascuna attività elencata nella griglia sottostante alla tipologia a cui appartiene: L attrito nella vita quotidiana Attrito Statico Attrito Radente Attrito Volvente Andare in bicicletta Goccia di colla su un foglio di carta Sciare Pattinare sul Ghiaccio Chiusura in Velcro Una pallina che rotola su una pista del set Profi Dynamic X Pattini in Linea

12 ITA Profi Dynamic Scontro di Palle Per i prossimi esperimenti costruisci il modello 4 (half-pipe). Posiziona due palline nel punto più basso della pista e lascia andare una terza palla dal punto più alto di una delle due sponde. Cosa accade? La terza pallina viene spinta via. L impatto sembra attraversare tutte e tre le palle. Puoi provare a mettere altre palline nella pista: cosa accade? La stessa cosa accaduta nella precedente attività. L ultima pallina viene spinta via e l impatto sembra attraversare tutte le palle in pista. Ora osserva cosa accade quando posizioni tre palline nel punto più basso della pista e lasci andare simultaneamente due palline dal punto più alto di una delle due sponde. Ora le ultime due palline inserite nella pista vengono spinte via. E ancora l impatto sembra attraversare tutte le palle nella pista. L effetto fisico dimostrato con questo esperimento è chiamato urto elastico. Un urto elastico è un contatto tra due oggetti che dura solo pochi millisecondi. In questo lasso di tempo una pallina trasferisce la propria energia cinetica alla seconda, senza deformarla. Se un certo numero di palline è affiancato alla seconda pallina, l impatto interessa tutte le palle. Lo stesso numero di palle che aveva innescato lo scontro iniziale viene spinto via dalle altre. L effetto del passaggio del colpo attraverso tutte le palline è chiamato impulso. In realtà ogni massa, che si muove a una certa velocità ha un impulso. Questo significa che anche tu, quando ti muovi hai un impulso. Impulso = Massa Velocità p = m v

13 Profi Dynamic ITA L impulso non è sempre visibile quando avviene una collisione, ma lo è solo quando viene è trasferito. Similmente alla legge sulla conservazione dell energia, che asserisce che la quantità totale dell energia non cambia nel tempo, c è anche una legge sulla conservazione dell impulso. Questa legge asserisce che l impulso rimane sempre lo stesso, anche in caso di urto. L impulso rimane un impulso Impulso prima della collisione = Impulso dopo la collisione Possiamo vedere ciò anche nel nostro esperimento, perché la velocità e la massa delle palline che si scontrano con le altre sono esattamente uguali alla velocità e alla massa delle palle spinte via. Ci sono molti esempi pratici di urti e collisioni. Un buon esempio è quello di un falegname che martella. Gli urti sono presenti anche in molti sport, come il biliardo, lo squash o il curling. Questi sport sfruttano il fatto che l impulso prima dell urto è uguale all impulso che segue l urto. Nel biliardo questo effetto è usato, ad esempio, per mandare le proprie palle in buca colpendole con la palla bianca. Questi urti sono elastici esattamente come nel tuo esperimento, perché lo stato del movimento delle palle è modificato dall urto senza che esse si deformino. Impulsi nella vita di tutti i giorni by berwis / PIXELIO

14 ITA Profi Dynamic Percorsi a ostacoli Ascensore Ora puoi utilizzare gli effetti fisici appresi nelle attività precedenti per costruire entusiasmanti percorsi con vari ostacoli ed effetti sorprendenti. Tutte le piste ad ostacoli illustrate nelle istruzioni di montaggio prevedono la costruzione di un ascensore. Questo consiste in una catena fissata a dei porta palline magnetici. Non appena un porta pallina passa una sfera d acciaio nel caricatore per palline del modello, viene attratto dal magnete e trasportato verso l alto. Quindi, nella parte superiore del modello, la palla viene lasciata andare, in modo che possa rotolare attraverso il percoso ad ostacoli. Suggerimento: Se le palline non sono prese e trasportate nel modo corretto dall ascensore, puoi riaggiustare personalmente la loro posizione. Circuito 1 Questo modello è particolarmente indicato per fare le prime esperienze con i modelli ad ostacoli. Le palline vengono trasportate verso l alto dall ascensore e quindi rotolano attraverso tutta la pista ad ostacoli fino ad arrivare nuovamente al caricatore per palline. Circuito 2 Questo modello include vari effetti. Sono però necessari un po di tentativi e aggiustamenti prima di iniziare ad usare questa pista, in modo da accertarsi che gli effetti funzionino adeguatamente.

15 Profi Dynamic ITA 1. Agganciare il contenitore per pallina dalla parte superiore come mostrato in figura. 2. Impostare il cancelletto nella posizione illustrata nella figura qui a fianco. 3. Posizionare un blocco nella catapulta incorporata. Ora puoi riempire il caricatore con le palline e avviare l ascensore. La pallina passa attraverso il cancelletto e quindi nel collettore. Non appena tutte e sei le palline sono state caricate, il collettore si inclina verso il basso. Suggerimento: Se il collettore si inclina troppo presto o troppo tardi, puoi correggerlo muovendo il blocchetto situato dietro il collettore stesso, che fa da contrappeso. Più il blocchetto è vicino al collettore, prima il collettore si inclinerà. Le palle allora rotolano nel contenitore per palline, che cade giù attivando la catapulta. Ora sposta il cancelletto nell altra posizione, per evitare che altre palline rotolino nel collettore. A questo punto le palline rotolano giù seguendo un percorso differente. Suggerimento: Se il contenitore per palline non cade correttamente, puoi correggere la chiusura spostando il blocchetto attaccato ad essa e che fa da contrappeso. Ora puoi rimuovere il contenitore per palline e riempire nuovamente con le palline il caricatore posto di fronte all ascensore. Quindi puoi preparare il contenitore e la catapulta per il prossimo giro.

16 ITA Profi Dynamic Circuito 3 Questa pista ad ostacoli è il modellino più grande che puoi costruire con il set PROFI DYNAMIC ed è anche quello che contiene il maggior numero di ostacoli ed effetti. La pallina inizialmente colpisce un pendolo e quindi rotola attraverso un cancelletto automatico che smista le palline, alternativamente, a destra e a sinistra. Suggerimento: Assicurati che la giunzione sia posta precisamente al centro del bilanciere e che il cancelletto si muova facilmente. In caso contrario il circuito potrebbe non funzionare correttamente. Quindi la pallina si blocca di fronte a una barriera. La pallina successiva viene smistata nella direzione opposta e, passando, attiva un meccanismo che apre il passaggio alla prima pallina. A questo punto il passaggio per la prima pallina attraverso il circuito è libero. Suggerimento: Assicurati che il bilanciere e la barriera si muovano liberamente. Ulteriori Suggerimenti: Ovviamente puoi anche costruire dei passaggi e degli ostacoli di tua invenzione con il materiale fornito nel set. Sicuramente inventerai percorsi ingegnosi ed effetti entusiasmanti! Se i binari flessibili, dopo aver smontato il modello, risultassero ancora un po piegati sarà sufficiente attaccarli alla piastra di base per un po. Ciò ridurrà la piegatura.