ATTIVITÀ L ACQUA ESERCITA UNA FORZA Obiettivi Gli oggetti galleggiano perché l acqua esercita su di essi una spinta: la spinta di Archimede. Difficoltà Difficile Tempo di esecuzione 1 ora Elenco materiali un cilindro metallico un dinamometro becher con acqua un becher di olio, uno di alcool, uno di acqua salata una vite, delle graffette una bacinella con acqua scatolina di plastica trasparente contenitori che contengono le sorprese delle uova di pasqua. Modalità di esecuzione Prendere un cilindro metallico e agganciarlo ad un dinamometro posto in verticale e misurato il suo peso in aria (Pin aria). Poi introdurre in acqua lo stesso cilindro, mantenendolo agganciato al dinamometro, e misurare il peso in acqua del cilindro (Pin acqua). Calcolare la differenza: (Pin aria) - (Pin acqua). Cosa rappresenta tale differenza? In acqua agisce, oltre alla forza peso P che spinge il corpo verso il basso, un altra forza, che chiamiamo spinta S che è opposta al peso, cioè verso l alto, e che, in parte o del tutto, lo neutralizza, rendendo appunto il corpo più leggero. È evidente che: Quando il peso supera la spinta P > S e il corpo affonda Quando la spinta supera il peso P < S e il corpo galleggia Quando peso è spinta sono equivalenti P = S e il corpo sta in equilibrio. La forza S, chiamata Spinta Idrostatica, è quindi la differenza tra il peso del corpo misurato in aria (senza la spinta dell acqua) e il peso del corpo misurato nell acqua (in cui invece agisce la spinta). S = Pin aria Pin acqua
Ma da cosa dipende questa spinta? 1. La spinta dipende dal liquido in cui immergiamo il corpo? (se è per esempio più o meno denso?) Ripetere l esperienza della pesata del cilindro immergendolo in liquidi diversi: olio, alcool, acqua salata. Ci si accorge che, rispetto al peso in acqua, il cilindro pesa di meno nell acqua salata, di più nell olio e nell alcool ( ma pesa di più in alcool rispetto all olio). Considerando che il peso specifico dei liquidi in esame si può disporre nel seguente ordine: Ps (acqua salata) > Ps (acqua ) > Ps (olio) > Ps (alcool). Possiamo ragionevolmente affermare che liquidi leggeri danno spinte poco intense e liquidi pesanti spinte più intense. Quindi: la spinta dipende dal peso specifico del liquido in cui è immerso il corpo. 2. La spinta dipende dal peso del corpo immerso? Prendere due bulloni e delle graffette, metterli in acqua e osservare che affondano. Mettere poi gli oggetti dentro una scatolina di plastica trasparente, chiuderla e metterla in acqua. La scatoletta con i bulloni e le graffette galleggia in acqua. Se fosse il peso a determinare il valore della spinta non potremmo spiegare il comportamento degli oggetti nella scatola. 3. La spinta dipende dal volume del corpo immerso? Continuare aprendo la scatola e ponendola di nuovo in acqua: galleggia. Uno alla volta aggiungere piccoli bulloni e graffette. Man mano che aumenta il carico la scatoletta inizia ad affondare. Ora provare un'altra cosa: mettere tutti gli oggetti che erano nella scatola trasparente quando è affondata, dentro uno di quei contenitori che contengono le sorprese delle uova di pasqua. Lo stesso carico nel nuovo contenitore non affonda... cosa è successo?
Il nuovo contenitore differisce dal primo perché occupa un volume maggiore della scatola così come la scatola trasparente occupava a sua volta un volume maggiore dei bulloni e graffette nude. Quindi: abbiamo visto che corpi di grande peso galleggiano (per esempio le navi) e corpi di piccolo peso affondano (un bullone, una graffetta, ecc.); abbiamo visto che a parità di peso a volte un corpo affonda e a volte galleggia (i bulloni e le graffette da sole affondano, nella scatoletta galleggiano); a parità di peso un corpo galleggia o affonda in base al volume che occupa (un autotreno affonderebbe in mare ma dentro il traghetto galleggia). Conclusioni La spinta che il corpo riceve nel liquido non dipende dal peso ma dal volume di liquido spostato, cioè dal volume del corpo immerso.
ATTIVITÀ GIOCA CON LA BOTTIGLIA L'attività mette in evidenza come l'aria eserciti una pressione correlata con la pressione di una colonna d'acqua. Obiettivi Capire come l'aria esercita una forza: la pressione atmosferica è equivalente alla pressione esercitata da una colonna d acqua alta circa 10 m. Difficoltà Facile Tempo di esecuzione 30 minuti Elenco materiali un bricco per versare l'acqua, acqua, bottiglie (o contenitori trasparenti) di diversa capacità, carta stagnola, un imbuto, una bacinella, un tavolo d'appoggio. Modalità di esecuzione Si riempiono d acqua le bottiglie (non è necessario che siano colme d acqua), si poggia la carta sull imboccatura, si capovolge la bottiglia tenendo la mano sull'imboccatura e facendo attenzione che il foglio di carta aderisca bene, si toglie la mano e il foglio, come per magia, rimarrà attaccato. Ma chi lo mantiene? Questo gioco è molto semplice per cui si può chiedere ai ragazzi di provare (per le bottiglie più grandi far provare ai visitatori adulti). Si può iniziare dalla bottiglia più piccola e via via prendere bottiglie sempre più grandi scommettendo di volta in volta sulla riuscita. I ragazzi vanno incuriositi sul fenomeno con domande del tipo: "Via via che prendo bottiglie più grandi il gioco si complica? Perché?"; "Perché il foglio di carta stagnola non cade? Chi lo mantiene?"; "Esiste un limite a questo gioco? E da cosa dipende questo limite".
Cosa accade L acqua nella bottiglia tenderebbe a scendere a causa del suo peso e quindi a spingere il foglio di carta. Anche l'aria che è fuori esercita una forza (in verso opposto) sul foglio di carta e ne impedisce la caduta. Esiste un limite a questo gioco? Si, ma non è fissato dalla quantità di liquido (e quindi dal peso) bensì dalla sua altezza.
ATTIVITÀ IL DIAVOLETTO DI CARTESIO Tematica acqua. Il diavoletto di Cartesio o ludione è uno strumento di misurazione della pressione dei liquidi. Deve il suo nome a quello di René Descartes latinizzato in Cartesius. Si attribuisce infatti la sua ideazione a Cartesio, nel 1640; in realtà però fu inventato dall'italiano Raffaello Magiotti e descritto per la prima volta nel 1648. Obiettivi Osservare i seguenti fenomeni: la spinta di Archimede la pressione idrostatica il fatto che l aria, essendo un gas, è comprimibile mentre l'acqua essendo un liquido è incomprimibile Difficoltà Difficile Tempo di esecuzione 30 minuti Elenco materiali una bottiglia di plastica da 1,5 litri di acqua una lattina di alluminio vuota due pennarelli esauriti a punta larga un filo di rame sottile seghetto, punteruolo, forbici Modalità di esecuzione Si costruisce il diavoletto prendendo una bottiglia piena d'acqua e inserendoci al suo interno il diavoletto autocostruito come indicato nella sequenza dei disegni qui di seguito. Il diavoletto che è provvisto di un foro è pieno d'aria e non appena lo abbiamo immerso al suo interno è entrata un po' d'acqua. Ora, esercitando una pressione su un qualunque punto della bottiglia, si ottiene un aumento di pressione in ogni punto della bottiglia. Questo permette che altra acqua entri nel diavoletto e che l'aria al suo interno venga compressa. Pertanto il diavoletto aumenta il proprio peso e affonda dato che la spinta che riceve è minore del suo peso. Nel momento in cui la pressione sulla bottiglia diminuisce, il diavoletto espelle l'acqua, la spinta idrostatica torna ad essere maggiore del peso del diavoletto e questo risale.
ATTIVITÀ IL POTABILIZZATORE Difficoltà di esecuzione Media Tempo 1 ore Elenco materiali 4 bottiglie di plastica da 1,5 litri un punteruolo e un paio di forbici acqua sporca con terra e foglie due pugni di ciascuno di questi materiali: cotone, sabbia, ghiaia e carbonella Modalità di esecuzione Ecco come procedere per creare un piccolo potabilizzatore casalingo : 1) prendere quattro bottiglie della stessa forma: tagliare una bottiglia a 20 cm d altezza dal fondo e due a 12 cm; 3) fare una decina di fori sui fondi di B, C e D; 4) stendere sul fondo dei recipienti B e C uno strato di cotone ed uno strato di ghiaia; 5) aggiungere uno strato di sabbia nella bottiglia B; 6) aggiungere uno strato di carbonella ben triturata nel contenitore C; 7) incastrare uno sull altro i recipienti A B C D senza però incollarli, in modo che il filtro possa essere successivamente smontato.
Come funziona Versare l'acqua sporca nel recipiente in alto ricordandosi di tenerne un po' per il confronto finale. Osservare come attraversando i vari strati, l'acqua si liberi delle particelle più grossolane prima e poi di quelle più sottili. Fare il confronto tra l'acqua sporca versata e quella che ottenuta dopo la filtrazione e notare che quest'ultima è molto più pulita. ATTENZIONE: nell acqua filtrata dal potabilizzatore, anche se ad occhio nudo è limpida, ci sono tante impurità perché non è stata disinfettata: per questo motivo non si può bere!