ESPERIMENTI PRESENTATI DAL PROF. VITTORIO ZANETTI al tè degli insegnanti - 23 marzo 2007 (testi a cura della prof.ssa Silvia Defrancesco, rivisti dal prof. Zanetti) 1) Maschera di plastica raffigurante un volto, illuminata dal retro. Se il volto è posto dalla parte concava, si nota una figura 3D convessa, inoltre, il volto sembra che segua l osservatore. La spiegazione risiede con ogni probabilità nel fatto che quando la faccia è normale, cioè convessa se l osservatore si sposta trasversalmente, i particolari della faccia cambiano molto di meno che quando la faccia è concava. cioè all indentro. 2) Motoscafo pot-pot. Si tratta di una barchetta giocattolo, del tipo di quella in figura. La prima è una foto di un motoscafo che si acquista, la seconda, quella di un motoscafo costruito dal prof. Guido Pegna. La spiegazione è ancora oggetto di studio. Riportiamo qui due spiegazioni, una tratta dal sito: http://fr.wikipedia.org/wiki/moteur_pop-pop, l altra data dal prof. Pegan sul sito: http://fr.wikipedia.org/wiki/moteur_pop-pop Il motore costituito da una caldaia, di volume contenuto fra due lamelle metalliche, sulla quale sono collegati due tubicini di piccolo diametro. L estremità dei due tubi è immersa nell acqua sul retro della barca. Una sorgente di calore(candela, cotone bagnato con alcol) riscalda la caldaia e quindi l acqua contenuta al suo interno. Il funzionamento sembra essere semplice: si deve introdurre l acqua in un tubicino, l aria scalda l acqua e quindi scappa dal tubo, altra acqua entra, che viene portata all ebollizione e esce di nuovo), ma non è così. Il motoscafo, infatti, funzionerebbe anche con un tubo solo. Il motore pop-pop è un motore a vapore alternato a due tempi a combustione esterna. Probabile spiegazione del funzionamento: dopo aver riempito d acqua il circuito, evitando di lasciare dell aria, dopo aver acceso la candela, il calore della stessa viene comunicato alla caldaia, che crea del vapore che spinge fuori l acqua della caldaia e parte di quella del tubicino. (primo tempo). La depressione creata dall avanzare dell acqua, combinata a quella generata dal raffreddamento del vapore surriscaldato in vapore saturo, aspirerebbe nuova acqua nel tubicino (o nei tubicini) (secondo tempo).parte del vapore saturo diventa sovrasaturo e si ricrea la situazione del primo tempo. Questo moto di va e vieni nel tubo, in realtà non spiega la propulsione. Ci sono altre due ipotesi diverse: 1) l acqua che esce ha velocità maggiore di quella che entra; 2) l acqua viene aspirata in tutte le direzioni e viene espulsa solamente nel senso inverso di marcia. Si avrebbe dunque un effetto di reazione di marcia avanti all espulsione e un effetto reattivo di marcia indietro all aspirazione.
Il rumore pop-pop viene prodotto dalla membrana, appositamente per creare un effetto acustico che ricorda il motore a scoppio. Seconda spiegazione, tratta dal secondo sito citato. Consideriamo per semplicità uno solo dei tubi, e la barchetta come un corpo di massa M inizialmente fermo che si possa muovere praticamente senza attrito nell acqua; quest ultima ipotesi è molto plausibile date le basse velocità in gioco. Ad ogni ciclo (riscaldamento vaporizzazione - espulsione dell acqua condensazione del vapore risucchio di altra acqua) viene risucchiato in uno dei tubi un cilindretto di acqua: diciamo una massa m di acqua molto più piccola della massa della barchetta. Seguiamo le vicende di quel cilindretto: vi sono tre fasi. Prima fase: le due masse sono ancora separate. Seconda fase: il cilindretto di acqua entra nel tubo e scorre in esso verso la caldaia. La chiave per comprendere cosa succede è il fatto che il baricentro del sistema cilindrettobarchetta deve restare fermo: questo è un altro modo di esprimere il principio della conservazione della quantità di moto di un sistema isolato. In questa fase la barca si muoverà all indietro, e continuerà a muoversi durante tutto il tempo nel quale l acqua, scorrendo nel tubo, si muove verso la caldaia, in modo che il baricentro del sistema resti fermo. Terza fase: il cilindretto di acqua arriva nella caldaia e lì si ferma. A questo punto l impulso dell acqua che viene comunicato alla caldaia ferma la barca: l energia cinetica dell acqua viene spesa per fermare il moto all indietro della barca. Se la barca è in movimento, nulla cambia. La condizione precedente diventa: il baricentro del sistema deve conservare lo stesso stato di moto. Ma allora: perché il motoscafino ha un moto netto verso l avanti? Risposta: a bordo della barca vi è una fonte di energia. L energia termica della fiamma si trasforma in una spinta dell acqua verso l esterno con una quantità di moto (una velocità) molto maggiore della quantità di moto diretta in senso contrario (una velocità) che si ha nella fase di aspirazione vista sopra. In realtà, se si trattiene con una mano, fermo nell acqua, il motoscafino mentre il motore sta funzionando, si sente un leggero tremolio con una debole componente all indietro. La massa dell acqua aspirata ad ogni ciclo è di gran lunga minore della massa della barca. Vendita motoscafini via rete: http://www.laboutiqueduperenoel.com/jouetsdecollection/jouets-de-collection_4.php 3) Un pezzetto circolare di sughero viene posto sulla superficie dell acqua che si trova in un contenitore. Si nota che il sughero si attacca alle pareti, in qualsiasi posizioni lo abbiamo posto. Tuttavia, se si riempie di acqua il contenitore fino all orlo, facendola quasi traboccare, si osserva che il pezzo di sughero non si muove più verso le pareti. Se il contenitore è circolare, il sughero si posiziona al centro. La spiegazione è la seguente. Nel primo caso (contenitore non pieno), la tensione superficiale tira il
sughero verso la parete (e la parete verso il sughero). Il menisco che esiste sia sul sughero che sulla parete (poiché l acqua li bagna entrambi) tende a farli avvicinare reciprocamente, quindi il sughero si attacca alla parete. La stessa cosa accade fra due sugheri vicini: si avvicinano fra loro fino a toccarsi. Nel secondo caso (contenitore pieno fino all orlo), l acqua vicino alla parete non crea un menisco come quello di prima, anzi la superficie dell acqua è convessa. Il sughero non viene quindi più tirato verso il bordo. Se il contenitore è circolare, il sughero si posizione nel centro per ragioni di simmetria. (si veda ad esempio: Fleury, Mathieu: Meccanica fisica, pp.365-66, Zanichelli1963; oppure si veda anche Charles Boys, Le bolle di sapone, ed. Zanichelli1982, pag. 29-31). 4) Con un sistema di cannucce si può far osservare come la pressione dell aria in una bolla di raggio piccolo sia maggiore di quella esistente in una bolla di raggio più grande. La struttura da costruire è la seguente. Una parete di una cannuccia viene forata verso le due estremità e al centro. Si inseriscono nei fori alle estremità due pezzetti di un altra cannuccia; al centro si inserisce un pezzo di cannuccia grande abbastanza per tenere in mano la struttura e per soffiarci dentro. Si immergono i due pezzetti piccoli in una soluzione saponosa, si soffia e si producono della bolle di sapone. Fare in modo da produrne prima una e poi l altra, in modo da ottenere due bolle di grandezza diversa. Ora si trappa il foro da cui abbiamo soffiato e si osserva quale delle due bolle si sgonfia e quale si gonfia: si vede che, contrariamente all intuizione, la più piccola si sgonfia, mentre l altra aumenta di volume. Questo si può spiegare solamente ammettendo che l aria all interno della bolla piccola si trova a pressione maggiore dell aria che si trova nell altra bolla. La pressione è infatti inversamente proporzionale al raggio (legge di Laplace: Po-Pi = 4T/R, dove Po = pressione esterna, Pi = pressione interna, T = tensione superficiale, R raggio della bolla). Si può consultare il sito hyperphysics, alla pagina http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/hframe.html, e il libro di Charles Boys, Le bolle di sapone, ed. Zanichelli1982, pag. 45-48). 5) Torcia a LED. È interessante notare la differenza con gli altri tipi di lampadina. Innanzitutto la torcia a LED ha una vita media altissima (circa 50000 ore contro le 6-7000 ore per la lampada a basso consumo e le 1000 ore della lampada a filamento). Inoltre, il rendimento è anche molto diverso (8-10% per le lampade a filamento, 70% ca. per le lampade a basso consumo e per i LED). Infine, il meccanismo di emissione della luce è diverso dagli altri tipi di lampade; il LED si basa sull emissione di luce nella giunzione PN di un diodo. La luce emessa dai primi LED era solo rossa, gialla e verde. Un LED blu è stato successivamente ottenuto grazie all impiego di nitruro di gallio. Così, sommando opportunamente i tre colori rosso, verde e blu, è possibile ottenere luce bianca o di altri colori. Il limite dei LED per l illuminazione domestica è la quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen) che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si attesta intorno ai 120 lm ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen. Una lampadina ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen. Inoltre i LED più luminosi sono ancora quelli a luce fredda con resa cromatica relativamente bassa. I vantaggi del LED:
durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore) assenza di costi di manutenzione elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene) luce pulita perché priva di componenti IR e UV facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica flessibilità di installazione del punto luce colori saturi possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme) accensione a freddo (fino a -40 C) senza problemi insensibilità a umidità e vibrazioni assenza di mercurio funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc) (si veda il sito: http://it.wikipedia.org/wiki/led) 6) macchina a reazione: si tratta di un modellino di automobile al quale è stato applicato un palloncino gonfiabile. Quando il palloncino si sgonfia, la macchina parte per il principio di azione e reazione. 7) Sintesi additiva dei colori. Un modo semplice, chiaro e divertente per osservarla, consiste nel porre su una lavagna luminosa (del vecchio tipo, con l illuminazione da sotto), tre filtri di colore rosso, verde e blu. Si intercetta la luce che attraversa i tre filtri con due (o tre) specchi e la si proietta su un muro bianco. Inclinando opportunamente gli specchi è possibile far sovrapporre due oppure tre colori. Si possono così osservare dei colori completamente diversi da quelli di partenza, e cioè giallo, magenta e ciano.(sovrapponendoli due a due), oppure bianco (sovrapponendoli tutti e tre. 8) Animali che si fermano al bordo del tavolo: un oggetto (di solito a forma di animale), con le zampe libere di oscillare, viene tirato lungo il piano di un tavolo, grazie ad un pesetto appeso a un filo che pende dal bordo. Quando l animale si trova sul bordo del tavolo, si ferma. In questo punto, infatti, il filo diventa verticale e quindi non può più vincere l attrito che si oppone al moto dell animale. 9) 10) Polarizzazione della luce: due polaroid vengono disposti sulla lavagna luminosa e la luce trasmessa da essi viene proiettata su un
muro. Uno dei due viene ruotato finchè è posto perpendicolarmente all altro. Si osserva che la luce, la cui intensità diminuisce via via, si annulla quando i polaroid sono incrociati. Interponendo fra i due polaroid incrociati un vetrino da microscopio sul quale è stato incollato del nastro adesivo in vari strati, si osserva che dal polaroid analizzatore esce luce di colore diverso, a seconda del numero di strati attraversati. In effetti, il polaroid analizzatore può bloccare anche completamente un dato colore, e man mano che si ruota l analizzatore, i colori che attraversano le varie zone sono diversi. (Si veda: V. Zanetti, Una bambola che cambia colore, La fisica nella scuola, XXXI, 3, 1998) Fogli polaroid si possono acquistare on-line, vedere la pagina: http://www.3dlens.com/shop/polarizer.php 11) Papero bevitore. La novità consiste nel fatto che, per far oscillare il papero, anziché raffreddare la testa, si può aumentare la temperatura della sua base. Ciò si ottiene colorando di nero la base e illuminandola con un faretto, ad es. da 40 W. Per una spiegazione completa, si veda I giocattoli e la scienza, La fisica nella scuola, Quaderno n 4, 1993. 12) Le ombre colorate. Come fare: ( istruzioni e immagini tratte dal sito: http://www.anisn.it/scuola/strumenti/visione/index.htm 1. Ponete le lampadine tutte alla stessa distanza dalla parete e in modo che tutte proiettino la loro luce sulla schermo; 2. Una volta accese, regolate la loro posizione in modo da ottenere sulla schermo un colore più bianco possibile; 3. Oscurate perfettamente la stanza; 4. Interponete un oggetto opaco fra lo schermo e le lampadine in modo che esso sia abbastanza vicino allo schermo 5. osservate i colori dell'ombra che questo proietta; muovete l'oggetto per verificare se l'ombra che esso proietta cambia colore ripetete i punti 4 e 5, spengendo alternativamente una delle tre lampade e osservate se intervengono cambiamenti di colore nelle ombre
Il colori risultanti sono dati dalla sovrapposizione dei colori secondala sintesi additiva. Il principio è il medesimo di quello illustrato nell esperimento n 8.