Dov è la stella polare? Iniziamo il nostro lavoro distribuendo ai ragazzi una semplice mappa del cielo che riporti soltanto la zona circostante la stella polare, di cui forniamo un esempio, ricordando che questo materiale è comunque reperibile in rete, come ad esempio nel sito dell Osservatorio Astrofisico di Arcetri. Fig.1 - Polo nord celeste In questo semplice schema facciamo notare ai ragazzi la presenza di una forma molto conosciuta, ovvero quella del Grande Carro, asterisma della costellazione dell Orsa Maggiore. In questa invitiamo i ragazzi a porre attenzione alle due stelle più luminose (Dubhe e Merak ) che si trovano dalla parte opposta al timone. Prendiamo ora in considerazione il segmento immaginario che le unisce e prolunghiamolo di circa 5 volte: andiamo così ad incontrare una stella, non particolarmente luminosa, ma facilmente individuabile perché si trova in una zona piuttosto buia. Dalla parte opposta si trova la inconfondibile doppia V della costellazione Cassiopea. Potremo riproporre questa osservazione con un programma di simulazione al computer. Fra i tanti esistenti citiamo Planetario e Stellarium, ma non dimentichiamo di invitare i ragazzi ad una osservazione dal vivo: ovvero suggeriamo loro di recarsi in un luogo poco illuminato da luci artificiali, approfittando di una serata serena, e di cercare nel cielo quanto visto nel laboratorio virtuale a scuola. La rotazione del cielo e l orologio notturno Una volta che i ragazzi avranno preso confidenza con la posizione della Stella Polare e con le costellazioni più vicine (in particolare Cassiopea ed il Grande Carro) li invitiamo ad una nuova attività. Per questa è necessario scegliere luogo e momento adatti. Il luogo dovrà essere lontano il più possibile da luci artificiali, presentare un punto di riferimento fisso (una grondaia, un albero, un palo dei fili elettrici, ecc ) e permettere di essere utilizzato per qualche ora durante le ore notturne. Il momento più adatto è un periodo di vacanza, anche breve come un fine settimana, meglio approfittare di vacanze un po più lunghe come quelle pasquali, oppure addirittura quelle estive, ma in questo caso l attività dovrà prendere avvio nella classe seconda ed essere poi sviluppato in terza.
I ragazzi dovranno munirsi di un foglio da disegno e di almeno tre matite di colore diverso. Dovranno trovare posizione comodamente nel luogo individuato e, appena il buio sarà tale da permettere di individuare la stella polare, dovranno realizzare un disegno schematico dove riporteranno: -il riferimento fisso prescelto - la stella polare - la costellazione di Cassiopea -Il grande Carro -L orario Lo stesso disegno dovrà essere realizzato almeno tre volte nella stessa serata, utilizzando sempre lo stesso foglio, ma cambiando ogni volta la matita, in modo da realizzare tre disegni sovrapposti che non si confonderanno fra loro perché saranno contraddistinti dalle tre diverse colorazioni. Riportiamo un esempio di quanto dovrebbe risultare: Una volta realizzati i disegni si inviteranno i ragazzi a commentarli in una discussione collettiva facendo porre loro attenzione soprattutto nell individuare quali sono gli elementi che rimangono costanti e quelli che variano. Dovrebbe emergere con una certa facilità che la Stella non ha variato la propria posizione (in realtà sappiamo che questo non è del tutto vero, ma nell ambito di questo lavoro possiamo accettare questa affermazione), mentre tutte le altre stelle hanno subito una rotazione (apparente, ma questo qui non importa, ricordiamo infatti che le nostre osservazioni si basano su una visione geocentrica) in senso antiorario. Mostreremo a questo punto una simulazione accelerata di questo fenomeno, ancora utilizzando uno dei programmi di simulazione al computer. Verrà a questo punto abbastanza spontanei paragonare questo movimento (di cui avremo fatto notare la regolarità) a quello di un gigantesco orologio, nel quale le lancette sono rappresentate dalle stelle del grande carro Dubhe e Merak, infisse nel centro rappresentato dalla Polare. Mostreremo ora un modello di orologio notturno facendo notare che proprio tale meccanismo celeste sta alla base del suo funzionamento. l immagine seguente presenta il famoso orologio notturno Della Volpaia conservato al museo Galilei di Firenze.
Sarà possibile anche far realizzare ai ragazzi un modello di orologio notturno (o notturnale o notturlabio) seguendo le istruzioni che si possono trovare in alcuni siti internet. Una volta realizzato tale strumento si potranno far esercitare i ragazzi a determinare l orario proiettando una immagine del cielo ottenuta al computer con il programma di simulazione prescelto e verificando poi l esattezza delle loro determinazioni. Ripetendo più volte la simulazione della rotazione della volta celeste intorno al polo Nord celeste, dovrebbe scaturire con una certa naturalezza la piena padronanza della definizione di costellazioni circumpolari : infatti si potrà notare che soltanto alcune costellazioni hanno la caratteristica di non tramontare mai, ovvero di non scendere sotto la linea dell orizzonte, mentre la maggioranza si definiscono occidue perché invece sorgono e tramontano. L altezza come misura angolare; il quadrante di altezza Questa attività richiede come nozione di base la definizione di altezza come misura angolare. Infatti i ragazzi di 12-13 anni concepiscono ancora l altezza esclusivamente come una misura lineare. È necessario innanzitutto che venga percepita la necessità di introdurre una nuova modalità di misurazione: Per questo basterà una riflessione che porti a notare come oggetti molto lontani, o comunque inaccessibili, non possono essere misurati con in modo diretto; potremmo procedere gradualmente, proponendo di voler ottenere la misura dell altezza del tetto della scuola (in questo caso qualcuno potrebbe suggerire di salire sul tetto e far calare una fune), per poi passare all altezza di un campanile (di nuovo si potrebbe suggerire qualche arrampicata più o meno acrobatica), quindi di un grosso albero, per poi passare ad oggetti posti in cielo: una nuvola, un aereo che passa, ecc. Naturalmente sarebbe meglio se questa attività potesse essere svolta in un ampio spazio aperto. Nel proporre le successive diverse misure si comincerà ad indicare gli oggetti presi in esame allungando un braccio e puntandoli uno ad uno con il braccio teso; più precisamente sarà opportuno mantenere un braccio allungato in direzione orizzontale (altezza zero) ed alzare l altro verso l oggetto di cui si vuole misurare l altezza, come mostrato nelle seguenti immagini.
È molto probabile che qualche ragazzo cominci a suggerire di utilizzare proprio l ampiezza fra le braccia come misura dell altezza. Il passo successivo consiste nel suggerire l opportunità di avere a disposizione un adeguato strumento di misura. Un esempio può essere dato dal grande goniometro rappresentato nella seguente immagine: Un altro strumento che suggeriamo di far realizzare ad ogni ragazzo è di facile ed economica realizzazione, pur essendo, nelle sue caratteristiche funzionali, del tutto simile a strumenti prestigiosi come quelli si trovano conservati nelle collezioni museali. Ed ecco come realizzarlo: Materiali necessari: un disco di cartone (di quelli usati come base per i dolci) di 18 cm di diametro; una fotocopia di un goniometro modificata e ingrandita opportunamente; una cannuccia da bibita (da utilizzare come"mirino"); un doppio filo a piombo. Costruzione: Tagliare a metà lungo un diametro il disco di cartone; Incollare su ciascuna faccia una copia del goniometro; Praticare un piccolo solco nel centro del goniometro, dove verrà incollato il punto di mezzo del doppio filo a piombo; Incollare (anche con nastro adesivo) la cannuccia lungo il diametro.
Una volta che tutti i ragazzi avranno realizzato il proprio quadrante di altezza, potremo far eseguire loro alcune prove per ottenere misure angolari di altezze di vari oggetti. Magari registrando più misure dello stesso oggetto per poi calcolarne la media aritmetica. Se gli oggetti scelti non sono troppo lontani si potrebbe approfittare per far osservare che allontanandosi o avvicinandosi all oggetto la misura dell altezza ottenuta tramite una misura angolare cambia. Questo porterebbe ad aprire un tema di grande valore didattico, ma che in questa sede non si ritiene opportuno introdurre. L altezza della Stella Polare e la latitudine Ora che i ragazzi hanno preso confidenza con questo nuovo modo di misurare e con questo strumento possiamo passare ad effettuare misure astronomiche. Faremo cioè traguardare la Stella Polare con il quadrante e ne faremo determinare l altezza. Con un modellino realizzato con una pallina di polistirolo espanso, un ferro da calza e poco più, e mediante una interessante dimostrazione geometrica, come risulta dalle immagini: Faremo ora riflettere i ragazzi sul fatto che, con la semplice determinazione dell altezza della Stella Polare, abbiamo potuto determinare la latitudine del luogo in cui ci troviamo. Lo faremo verificare facendo calcolare la media delle misure effettuate e confrontando il risultato ottenuto con il noto valore della latitudine del luogo in cui ci troviamo. Interessante sarà anche invitare i ragazzi a portare con sé questo strumento durante eventuali spostamenti nel corso delle vacanze ed al ritorno verificare l esattezza delle misure effettuate. Queste di solito forniscono valori di rispettabile precisione, con tangibile soddisfazione dei ragazzi, risultando l errore medio inferiore al grado d arco.