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 Il  Giardino  della  Scienza  

 Comune  di  Ascona  

 Dipartimento  Formazione  e  Apprendimento  

www.scatoladieinstein.com  giorgio.haeusermann@supsi.ch  

Versione  novembre  2013  

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COSA  DICE  LA  SCIENZA:  Il  principio  di  Archimede    Lo  scienziato  che  ci  guida  alla  scoperta  del  galleggiamento  è  Archimede,  nato  a  Siracusa  nel  287  a.C  circa  e  morto  nel  212  a.  C.  

Il   principio  di  Archimede  è  una   legge   fisica   che   ci   consente  di   spiegare  perché   alcune   cose   galleggiano  e  altre   no.   Il   peso   di   un   corpo,   infatti,   non   è   la   sola   grandezza   che   dobbiamo   considerare   per   cercare   di  rispondere   alla   domanda:   “Galleggia   o   non   galleggia?”.   È   necessario   tenere   in   considerazione   anche   la  forma,  o,  più  precisamente,  la  sua  densità,  una  grandezza  che  dipende  dalla  massa  (il  peso)  e  dal  volume  (la  forma)  del  corpo.  Infatti,   come   cita   il   principio   formulato   dal   famoso   scienziato,   un   corpo   immerso   in   un   fluido   riceve   una  spinta  dal  basso  verso  l’alto  pari  al  peso  di  un  ugual  volume  di  fluido.  Ed   è   proprio   quello   che   accade   in   una   nave:   il   peso   di   un   volume   d’acqua   uguale   a   quello   della   parte  immersa   della   nave,   sorregge   l’imbarcazione.  Grazie   alla   tipica   forma  della   nave,   la   spinta   ricevuta   è   più  grande   del   peso   del   ferro   con   cui   è   costruita   (e   che   la   trascinerebbe   verso   il   basso).   La   nave,   quindi,  galleggia.  Questo  principio  non  vale  solo  per  i  corpi  solidi  come  le  navi  e  le  palline,  ma  anche  per  i  liquidi  e  per   i   gas:   ad   esempio   l’olio   galleggia   sull’acqua   e   un   palloncino   del   luna-­‐park   riempito   di   elio   galleggia  nell’aria.1  La   grandezza   fisica   che   ci   permette   di   determinare   se   un   corpo   immerso   in   un   fluido   (liquido   o   gas)   si  sposterà  verso  l’alto,  il  basso  o  rimarrà  in  equilibrio  è  la  densità,  data  dal  rapporto  tra  la  massa  del  corpo  e  il  suo  volume.  La  densità  si  misura  in  kg/m3  (o  kg/dm3  ).  Esempi:  acqua  1  kg/dm3,  aria  1,3  kg/m3  ).      DIFFICOLTÀ    La  maggiore  difficoltà  di   queste  esperienze   consiste  nel   fatto   che   intuitivamente   i   bambini  dicono   che   le  cose   leggere   galleggiano   e   le   cose   pesanti   affondano.   Bisogna   fare   attenzione   a   non   fissare   queste  dicotomie:  è  importante  il  peso,  ma  è  anche  importante  la  forma.  Inoltre   non   bisogna   veicolare   l’idea   che   il   galleggiamento   sia   possibile   solo   in   acqua.   Il   principio   di  Archimede  infatti  vale  in  tutti  i  fluidi  (ossia  in  tutti  i  liquidi  e  in  tutti  i  gas).  Si  potrebbe  fare  una  piccola  prova  

1 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.

Archimede      

   

 La  leggenda  racconta  che  Archimede  avrebbe  iniziato  a  occuparsi  d’idrostatica   perché   il   sovrano   Gerone   II   gli   aveva   chiesto   di  determinare   se   una   corona   fosse   stata   realizzata   in   oro   puro  oppure  utilizzando  all’interno  altri  metalli.  Egli  avrebbe  scoperto  come  risolvere  il  problema  mentre  faceva  il  bagno,  notando  che  immergendosi   nell’acqua   provocava   un   innalzamento   del   livello  del   liquido   e   una   spinta   verso   l’alto   corrispondente   al   volume  d’acqua  innalzato.  Quest’osservazione  lo  avrebbe  reso  così  felice  che  sarebbe  uscito  nudo  dall’acqua  esclamando  “HÉUREKA!”  “ho  trovato!”.      

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con  le  palline  nell’olio,  nel  latte  o  in  una  bibita,  per  mostrare  ai  bambini  che  il  fenomeno  si  verifica  anche  altre  sostanze.  2      

OBIETTIVI  

• Raccogliere,  ipotizzare  e  sperimentare  la  proprietà  del  galleggiamento  di  diversi  oggetti  (galleggia  o  affonda?)  

• Provare  a  far  galleggiare    forme  diverse  dello  stesso  materiale  (barchetta  o  palla  di  plastilina)  • Sperimentare  che  l’acqua  ha  una  forza  che  spinge  verso  l’alto  (Forza  di  Archimede)    • Sperimentare  che  un  oggetto  che  galleggia  o  affonda  in  acqua,  può  affondare  o  galleggiare  in  un  altro  

liquido  (acqua/acqua  salata  o  acqua/alcol)  • Sperimentare  che  anche  i  liquidi  galleggiano  (l’acqua  galleggia  in  altri  liquidi?)  

Olio/acqua+sale/miele/alcol      ESPERIMENTI  INTRODUTTIVI  DA  SVOLGERE  IN  CLASSE  

Prima  di  iniziare  con  gli  esperimenti  veri  e  propri  sul  galleggiamento  è  importante  raccogliere  le  concezioni  dei   bambini   sulle   proprietà   di   galleggiamento   di   vari   oggetti.   Questa   attività   può   essere   fatta   in   modo  pratico  (una  bacinella  piena  d’acqua   in  cui  provare  a   immergere  gli  oggetti  annotando  su  una  tabella  che  cosa  succede)  oppure  in  modo  puramente  teorico  con  delle  domande  (galleggia  o  non  galleggia?).  

   

2 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it   (2011).   Facciamo   che   eravamo   scienziati.   Trieste:   Scienza   Express  edizioni.  

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GLI  ESPERIMENTI  con  il  “Giardino  della  scienza”  

   

Il  sasso  che  galleggia    

   

La  pietra  pomice  è  una  roccia  leggerissima  a  causa  dell'elevatissima  porosità,  per  questo  è  l'unica  pietra  che  galleggia  nell'acqua.  

Prima  di  provare  a  immergere  la  pietra  pomice  nell’acqua  chiedere  ai  bambini  di  osservarla  e  fare  delle  ipotesi.  Magari  paragonandola  a  un  altro  sasso  “normale”.    

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 Il   legno   galleggia?   Di   solito   sì,   ma   se   usiamo   un   legno   speciale   più  denso…  affonda!    http://www.teachersource.com  

 Le  sfere  di  metallo  

   

 Le  due  sfere  dello  stesso  materiale  hanno  due  importanti  differenze:  

-­‐ La  grandezza  -­‐ La   massa   e   la   densità   (quella   grande   è   piena   d’aria,   quella  

piccola  è  interamente  di  metallo).  Prima  di   immergere   le   sfere   ipotizzare   con   i   bambini   cosa   succederà  e  magari  fare  finta  che  quella  grande  sia  pesantissima  da  sollevare…   http://www.teachersource.com  

 Sommergibile  

 

   Sperimentiamo  che  cosa  succede  in  un  sottomarino  quando  si  immerge  e  quando  riemerge  dall’’acqua.    Quando  la  sfera  è  piena  d’aria  galleggia,  mentre  l’aria  viene  aspirata,  la  sfera  va  a  fondo  perché  dalla  valvola  entra  dell’acqua.    

 

  La  bibita  zuccherata  affonda  mentre  quella  senza  zucchero  galleggia    

 L’arancia  galleggia?  Dipende…  Con  la  buccia  galleggia  e  quando  la  sbucciamo  affonda.  

 La   pallina   di   plastilina   affonda,   ma   se   cerchiamo   di   modellare   una  barchetta  di  plastilina  riusciamo  a  farla  galleggiare?  Certo!  Anche  il  ferro  di  solito  affonda,  ma  le  navi  di  ferro  galleggiano.  E’  in  commercio  anche  la  plastilina  che  galleggia.    

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Altri  esperimenti  sul  galleggiamento  e  la  densità  

Poly  density  bottle    

 

Nella  bottiglia  si  trovano  2  liquidi:  acqua  salata  e  alcool    isopropilico  con  quindi  densità  diverse  (acqua  salata  più  denso-­‐alcool  meno  denso)  e  due  tipi  di  perline  con  densità  diverse  (le  perline  blu  hanno  densità  maggiore  di  quelle  bianche).  I  liquidi  e  le  perline  si  dispongono  all’interno  della  bottiglia  secondo  la  scala  delle  densità.  Dal  basso:  acqua  salata,  perline  blu,  perline  bianche,  alcool  (densità  minore).  Quando  si  scuote  la  bottiglia,  i  liquidi  si  mescolano  generando  un  miscuglio  instabile  di  densità  minore  di  quella  delle  perline  blu  che  vanno  a  fondo  e  maggiore  di  quella  delle  bianche  che  vengono  a  galla.  Dopo  un  po’  i  liquidi  si  separano  e  le  perline  ritornano  in  mezzo.    http://www.teachersource.com

Termometro  di  Galileo    

Il  termometro  di  Galileo  è  un  cilindro  chiuso  contenente  alcool  nel  quale  sono   immerse  delle  boccette   contenenti   liquido   colorato   (per   renderle  più   visibili)   con   appeso   un   numero   corrispondente   alla   temperatura.   Il  liquido  cambia  la  sua  densità  in  funzione  della  temperatura  ambiente  e  le   boccette   salgono   o   scendono   perché   ciascuna   ha   una   massa  leggermente  diversa  tra  loro.  Si  formano  due  gruppi,  una  parte  in  alto  e  una   in   basso.   La   temperatura   segnata   sulla   boccetta   più   in   basso   tra  quelle  del  gruppo  in  alto  segnala  l'attuale  temperatura  ambiente.    

Density  Mystery  Set  

I   cilindri   di   plastica   sembrano   essere   fatti   tutti   della   stessa   sostanza   e  tutti   affondano   in   acqua.   Tuttavia,   se   s’immergono   in   acqua   salata,  alcuni   affondano   e   alcuni   galleggiano.   In   effetti,   sono   fatti   di   due  materiali   con   densità   leggermente   differente.   L’esperimento   serve   a  mostrare   come   l’acqua   del   mare   facilita   il   galleggiamento.   Si   possono  utilizzare  anche  oggetti  con  densità  appena  superiore  a  quella  dell’acqua  che  in  acqua  salata  ricevono  una  spinta  superiore  e  galleggiano.  http://www.teachersource.com  

 Diavoletto  di  Cartesio  

 

Come  mai  schiacciando  le  pareti  della  bottiglia,   il  diavoletto  di  Cartesio  (o  il  calamaro)  scende  mentre  lasciando  le  pareti,  questo  risale?    Schiacciando   le   pareti   della   bottiglia   si   comprime   l’aria   nell’alto   della  bottiglia  e   la  pressione  si  trasmette  all’acqua  che  entra  all’interno  dalla  coda/pipetta   rendendo   più   pesante   il   Diavoletto/calamaro   e   quindi  facendolo   scendere   (principio   di  Archimede).  Al   contrario,   liberando   le  pareti   della   bottiglia,   la   pressione   dell’aria   diminuisce,     l’acqua   ritrova  spazio   nella   bottiglia   e   quindi   esce   dalla   coda/pipetta   rendendo   il  Diavoletto/calamaro  più  leggero.  

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COSA  DICE  LA  SCIENZA    Il  fenomeno  della  capillarità  si  verifica  nel  momento  in  cui  un  liquido  va  a  contatto  con  la  superficie  di  un  solido  in  uno  spazio  strettissimo,  come  un  tubicino  (capillare),  o  in  materiali  molto  porosi,  come  le  spugne  (i  cui  pori  sono  piccoli  proprio  quanto  un  capillare).  Si   tratta  di  una  arrampicata  delle  molecole  d’acqua  sulle  pareti  del   tubicino.  L’acqua  naturalmente  non  è  dotata   di   volontà   propria:   sono   le  molecole   delle   pareti   del   capillare,   infatti,   che   attirano   verso   di   sé   le  molecole  del  liquido.  Queste,  essendo  poche  (in  quello  spazio  angusto!),  non  riescono  a  vincere  la  forza  di  attrazione  e  vengono  inesorabilmente  tirate  verso  l’alto  lungo  tutta  la  parete  del  capillare.  Questo  fenomeno  è  piuttosto  comune  e  ogni  giorno  nelle  nostre  case  ne  beneficiamo  abbondantemente.  Quando?  Per  esempio  ogni  volta  che  con  un  foglio  di  carta  da  cucina  assorbiamo  l’acqua  che  si  è  rovesciata  sul  tavolo.  È  sufficiente  appoggiarne  un  lembo  su  una  parte  del  liquido  e  immediatamente  lo  vediamo  salire  (ovvero  arrampicarsi)  sul  pezzo  di  carta.  Le  tante  piccole  forze  delle  molecole  della  carta  hanno  attirato   il  liquido,  vincendo  addirittura  la  forza  di  gravità.3      DIFFICOLTÀ    Spesso   i   bambini   associano   il   fenomeno   dell’acqua   che   si   arrampica   al   fatto   che   un  materiale   è   liscio   o  rugoso.   Evitare   di   indurre   questa   idea.   La   causa   del   fenomeno   non   deriva   da   come   un   materiale   viene  percepito  al  tatto,  ma  dalla  sua  composizione  chimica.    Un  errore  frequente  è  affermare  che  gli  alberi  sfruttano  questo  fenomeno  per  portare  l’acqua  dalle  radici  alle  foglie.  Il  meccanismo  che  consente  la  risalita  dei  liquidi  nelle  piante  è  diverso  dalla  capillarità:  è  un  fenomeno  legato  al  processo  di  traspirazione  delle  foglie.4        

3 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni. 4 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.

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 GLI  ESPERIMENTI  DEL  GIARDINO  DELLA  SCIENZA    

o l’acqua  che  sale  o Il  fiore  di  carta  che  sboccia    o Esperimento  con  l’inchiostro  colorato  

   

l’acqua  che  sale  

 

1. Mettere  dell’acqua  in  un  bicchiere  e  aggiungere  delle  

gocce  di  colorante  alimentare.  Immergere  una  striscia  di  diversi  materiali  (carta,  plastica,  alluminio,…)  nell’acqua  precedentemente  colorata.  

2. Immergere  nell’acqua  colorata  il  gambo  del  sedano  (o  un  garofano  o  una  rosa  bianchi)  e  sistemare  il  tutto  in  un  ambiente  caldo.                          

 

Il  fiore  di  carta  che  sboccia      

     

 Ritagliare  un  fiore  e  ripiegare  in  sequenza  i  petali  verso  il  centro.  Che  cosa  succede  mettendo  il  fiore  nell’acqua?  Il  fiore  piano  piano  si  apre.  L’acqua  viene  assorbita  dalla  carta  e  la  gonfia,  di  conseguenza  le  piegature  si  distendono  facendo  aprire  il  fiore.  

 

Esperimento  con  l’inchiostro  colorato  

 http://us.123rf.com/400wm/400/400/aabbc/aabbc1205/aabbc120500002/13524691-­‐

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 Mettendo  una  goccia  d’inchiostro  in  un  recipiente  contenente  dell’acqua  si  vede  come  l’inchiostro  lentamente  diffonde  colorando  tutta  l’acqua.  Il  fenomeno  è  dovuto  alla  solubilità  dell’inchiostro  in  acqua  e  al  moto  browniano  delle  molecole  d’acqua  che  trasportano  le  particelle  d’inchiostro.  Lo  stesso  fenomeno  si  osserva  spruzzando  del  profumo  in  un  ambiente.    

   

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COSA  DICE  LA  SCIENZA  La   tensione   superficiale  è  una  proprietà  dei   liquidi   che   si  manifesta  quando  sono  a  contatto  con  un’altra  sostanza:  solida,  liquida  o  gassosa.  Nel  caso  del  nostro  esperimento,  l’acqua  (liquida)  è  a  contatto  con  l’aria  (una  miscela  di  gas).  Cosa  accade?  Bisogna  distinguere  quello  che  succede  all’interno  del  liquido  da  quello  che   capita   alle   molecole   poste   sulla   sua   superficie.   Infatti,   le   molecole   di   acqua   dentro   il   liquido   si  attraggono   tra   di   loro   (è   come   se   si   tenessero   per   mano),   invece   quelle   che   si   trovano   sulla   superficie  vengono   attirate   sia   dalle   altre   molecole   sottostanti   che   da   quelle   dell’aria   (sopra).   In   questa   zona   di  confine   dunque   c’è   un   vero   e   proprio   braccio   di   ferro   tra   aria   e   acqua.   Tre   le   due   vince   l’acqua:   sulla  superficie  del  liquido  si  crea  così  un  fronte  di  molecole  aggrappate  alle  loro  simili  sottostanti  che  assomiglia  

proprio   a   una   specie   di   membrana   tesa   (in   realtà   qualche   molecola   di   superficie  riesce  sempre  a  sfuggire  verso  l’alto…  è  l’evaporazione!).  Tutto   questo   accade   fino   a   che   non   arriva   il   detersivo.   Questo,   se   possiede   i  tensioattivi,   ha   la   capacità  di   indebolire   i   legami   che  uniscono   le  molecole  d’acqua,  perché   le  sue  molecole  si   infilano  tra  di  esse.  Riesce  quindi  a  creare  una  breccia  nel  fronte  compatto.  E  la  barriera  si  rompe.5  Ma  come  spiegare  la  tensione  superficiale  ai  bambini?  

Le  piccole  molecole  d’acqua  in  superficie  si  attraggono  fra  di  loro,  come  se  si  dessero  la  mano,  e  formano  come   una   pellicola   che   è   in   grado   di   tenere   un   peso   leggero   (talco,   ago),   sembra   che   l’acqua   abbia   la  “pelle”.    Questa  forza  si  chiama  tensione  dell’acqua.  Il  detersivo  rompe  questi  legami.  La  tensione  tende  a  racchiudere  l’acqua  come  in  un  sacchetto  (come  sopra  la  moneta)  e  se  l’acqua  è  poca  la  chiude  in  forma  rotonda:  la  goccia.  

LA  STORIA  DEL  GERRIDE  FEDERICO  Un   esempio   di   essere   vivente   che   sfrutta   la   tensione   superficiale   è   il   gerride,   quello   strano   insetto   che  riesce  a  pattinare  sull’acqua  e  che  si  trova  comunemente  negli  stagni.    “Ma   come   fa?   E   perché   non   affonda?”   I   gerridi   sembrano   sfiorare   la   superficie   dell’acqua.   Per   non  affondare  si  appoggiano  proprio  sulla  pellicola  che  si  forma  in  superficie  grazie  alla  tensione  superficiale  dell’acqua.  

Il  gerride  Federico  era  abituato  a  giocare  negli  stagni  di  campagna.  Un  giorno  però,  annoiato  dalla  solita  vita,  decise  di  andare  a  pattinare  nei   laghetti   in  città.  Appena  arrivò  al  parco   fece  sfoggio  delle  sue  abilità.  Era  un  gran  spettacolo  vederlo.  Tutti  lo  guardavano.  Chi  con  ammirazione  e  chi  con  invidia.  Un  giorno,  un  insetto  poco  simpatico  lo  sfidò  a  dare  prova  della  sua  abilità  su  una  pozza  di  acqua  inquinata.  In  città  ce  n’erano  tantissime.  Il  povero  gerride,  abituato  alle  acque  pulite  del  suo  stagno,  non  aveva  mai  pattinato  su  una  pozza  inquinata.  Non  immaginava  quello  che  l’aspettava.  (“E  voi  bambini  lo  sapete  cosa  succede?”).  La  pozza  non  aveva  la  pelle  dell’acqua,  perché  il  detersivo  che  gli  uomini  avevano  rovesciato  l’aveva  rotta.  Così  appena  si  lanciò  nella  sua  pattinata  finì  sul  fondo  e  si  bagnò  tutto,  con  gran  risate  dell’insetto  

5 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.

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dispettoso.  Deluso  per  la  figuraccia,  Federico,  tornò  al  suo  stagno  di  acqua  pulita,  dove  tutti  pattinavano  felici,  e  decise  di  convincere  chiunque  incontrasse  a  non  inquinare  più,  e  a  usare  meno  detersivi.6  

     GLI  ESPERIMENTI  DEL  GIARDINO  DELLA  SCIENZA  

o Domanda  di  partenza:  l’ago  “galleggia”  sull’acqua.  Perché?  o Raccontare  la  storia  del  gerride  Federico    o Una  bolla  d’acqua  sulla  moneta  o Tagliare  la  pelle  dell’acqua  con  il  sapone  o Il  quadro  di  colore  sul  latte  o L’acqua  non  cade  (dal  bicchiere  girato  con  un  fazzoletto)  

 L’ago  che  galleggia

 

Riempire  una  bacinella  d’acqua.  Prendere  un  pezzo  di  carta  igienica  con  una  pinzetta.  Appoggiare  la  carta  igienica  sull’acqua  con  delicatezza  e  sopra  di  essa  l’ago  con  la  pinzetta.    Aspettare  che  la  carta  igienica  affondi  e…  cosa  succede?  L’ago  sembra  galleggiare.  In  realtà  qui  non  è  la  forza  di  Archimede  a  tenere  l’ago  in  superficie  ma  la  tensione  superficiale  dell’acqua.    

 Una  bolla  d’acqua  sulla  moneta  

 

 Con  una  pipetta  mettere  delicatamente  dell’acqua  sulla  moneta  finché  si  è  formata  una  specie  di  bolla.    Poi  aggiungere  una  goccia  di  detersivo  lavapiatti:  la  bolla  sparisce  e  l’acqua  scivola  sul  tavolo  perché  si  rompono  i  legami  tra  le  molecole  dell’acqua.  Si  “rompe”  cioè  la  tensione  superficiale  dell’acqua.  

 La  pelle  dell’acqua  

   

 Versare  dell’acqua  in  un  piatto  e  poi  delicatamente  spargere  del  borotalco.  Il  borotalco  resta  sulla  superficie  dell’acqua.  Basta  qualche  goccia  di  detersivo  sulla  punta  di  un  coltello  e  il  borotalco  cade  sul  fondo  del  piatto.  Anche  qui  rompiamo  la  tensione  superficiale  dell’acqua  (e  il  legame  tra  le  molecole  in  superficie  a  contatto  con  un  altro  elemento:  l’aria)  con  il  detersivo.  

 Il  quadro  di  colore  sul  latte  

 

 Mettere  in  un  piatto  un  po’  di  latte  con  qualche  goccia  di  panna.  Aggiungere  delle  gocce  di  colorante  alimentare  in  alcuni  punti.  Il  grasso  del  latte  tiene  le  gocce  compatte.  Aggiungere  qualche  goccia  di  sapone  liquido.  Il  colorante  si  diffonde  nel  latte  mischiando  i  vari  colori  e  ottenendo  una  specie  di  quadro  astratto.  http://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/milk-­‐color-­‐explosion  

6 Per il testo integrale vedi: Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.

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 L’acqua  non  cade  

 

 Bagnare  e  strizzare  un  fazzoletto.  Riempire  di  acqua  un  bicchiere.  Fissare  il  fazzoletto  con  l’elastico  o  come  in  figura.  Capovolgere  il  bicchiere  con  un  gesto  rapido.  L’acqua  non  scende!    http://www.planet-­‐science.com/categories/experiments/messy/2011/06/make-­‐a-­‐waterproof-­‐hanky.aspx  

 

GIOCHI  CON  I  POLIMERI  

• L’acqua  che  sparisce  (poliacrilato  di  sodio  e  pannolini)  • L’acqua  sferica  (palline  di  gelatina)  • La  neve  istantanea  

   L’acqua  che  sparisce

 Il  poliacrilato  di  sodio  è  un  polimero  idrofilo  cioè    fatto  di  catene  di  molecole  che  si  legano  alle  molecole  d’acqua  formando  un  composto  gelatinoso  che  aderisce  al  bicchiere.  Questa  sostanza  è  utilizzata  da  anni  sul  fondo  dei  pannolini  in  modo  che  la  pipì  formi  una  sostanza  gelatinosa  che  aderisce  al  pannolino.            http://www.teachersource.com  

L’acqua  sferica

 Queste  palline  sono  formate  da  polimeri  idrofili  che  assorbendo  molta  acqua  crescono  moltiplicando  le  loro  dimensioni  e  formando  una  sostanza  trasparente  gelatinosa.  Nell’acqua  sono  praticamente  invisibili  avendo  lo  stesso  indice  di  rifrazione.  Sono  utilizzate  per  mantenere  umidi  fiori  e  piante.  http://www.teachersource.com  

La  neve  istantanea  

 Anche  la  neve  istantanea  è  formata  da  polimeri  idrofili  che  tuttavia  non  legano  le  particelle  tra  loro  ma  si  gonfiano  come  fiocchi  di  neve.    http://www.teachersource.com  

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Vortice  

Perché  l’acqua  non  scende  dalla  bottiglia  superiore  o  lo  fa  molto  lentamente?  L’aria  presente  nella  bottiglia  inferiore  e  la  proprietà  dell’acqua  di  formare  delle  gocce  (forza  di  coesione)  impediscono  all’acqua  di  scendere.    Se  facciamo  ruotare  la  bottiglia  in  modo  che  la  base  faccia  da  perno,  l’acqua  che  aderisce  alle  pareti  (forza  di  adesione)  si  muoverà  a  una  velocità  maggiore  di  quella  al  centro  e  formerà  un  vortice.  Si  crea  un  “buco  nell’acqua”  che  svuoterà  rapidamente  la  bottiglia.  Con  liquidi  come  l’olio  o  l’acqua  e  sapone  (o  se  l’acqua  è  da  un  po’  nella  bottiglia)  il  comportamento  è  diverso,  c’è  sempre  un  po’  di  liquido  che  passa  attraverso  il  foro  verso  il  basso.  

Fontana  di  Erone  

Come  si  forma  la  fontana  di  Erone?      Nella  fontana  di  Erone,  l’acqua  scende  dalla  bottiglia  superiore  piena  attraverso  una  delle  cannucce  e  l’aria  scorre  velocemente  in  alto  attraverso  l’altra.  Si  genera  una  depressione  che  risucchia  l’acqua  attraverso  dei  fori,  nascosti  dal  tappo  di  plastica,  ed  esce  dall’estremità  superiore  formando  la  fontanella.    

 

   

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Possiamo  trovare  la  materia  (non  solo  l’acqua)  sotto  forma  di  tre  stati  di  aggregazione:  

 

SOLIDO  ß  à  LIQUIDO    ß  à  GAS    

FREDDO                                CALDO      Come  si  comportano  i  legami  tra  le  molecole  alle  diverse  temperature?      Solido                                                                                  I  legami  sono  “rigidi”,  danno  forma  alla  materia      Liquido  

I  legami  sono  più  deboli.  I  liquidi  infatti  prendono  la  forma  del  contenitore  in  cui  si  trovano.  

     Gas         Le  molecole  non  hanno  più  legami.    

 

L’acqua  L’acqua  può  essere  presente  in  forma:    

 http://physicssoup.wordpress.com/2012/09/  

Solida                                  liquida       gassosa  

 

 

 

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ESPERIMENTI  con  l’acqua  allo  stato  solido  

• caratteristiche:  scopriamo  il  ghiaccio  • come  si  ottiene  il  ghiaccio?  • Il  volume  del  ghiaccio  (un  vasetto  aperto  o  chiuso  nel  congelatore/L’inverno,  le  tubature  e  il  

ghiaccio/Il  ghiaccio  galleggia)    

caratteristiche:  scopriamo  il  ghiaccio    

 

 Esperienza  di  tipo  principalmente  sensoriale  per  acquisire  alcune  importanti  informazioni.  Il  ghiaccio  è:  

-­‐ Freddo  -­‐ Liscio  -­‐ Bianco  o  trasparente?    -­‐ Duro  e  solido,  ma  si  può  rompere  -­‐ Si  trova  in  ambienti  freddi  -­‐ Si  scioglie  (o  meglio  si  fonde)  in  mano  o  a  contatto  con  il  

calore  -­‐ Nell’acqua  galleggia  e  fonde  

come  si  ottiene  il  ghiaccio?  

 Provare  a  preparare  dei  cubetti  di  ghiaccio  in  vari  modi  (fuori  dalla  finestra,  nel  frigo,  in  cantina,  in  congelatore,  nel  forno…)  e  scoprire  che  dobbiamo  raggiungere  la  temperatura  sotto  lo  0.    Sarebbe  più  interessante  proporre  queste  attività  in  inverno.  

Il  volume  del  ghiaccio  (un  vasetto  aperto  o  chiuso  nel  congelatore)  

Preparare  del  ghiaccio  in  congelatore  in  vari  contenitori  (plastica,  sacchetti,  contenitori  graduati,  vasetto  della  marmellata  chiuso)  e  scoprire  che  il  ghiaccio  aumenta  di  volume.  Si  può  quindi  decidere  di  parlare  di  liquidi  antigelo,  iceberg,  acqua  salata  o  no,  tutto  quello  che  sanno  i  bambini  a  proposito  di  acqua  allo  stato  solido.    

 L’inverno,  le  tubature  e  il  ghiaccio  

 

   

Che  cosa  occorre:  -­‐ un  barattolo  di  vetro  o  di  plastica  con  il  tappo  -­‐ acqua    -­‐ un  congelatore  

 Come  procedere:  Riempire  d’acqua  il  barattolo  fino  all’orlo,  appoggiare  il  tappo  sull’apertura  senza  avvitarlo.  Mettere  tutto  nel  congelatore  e  aspettare  finché  l’acqua  nel  barattolo  non  sarà  congelata.  Cosa  succede?  

Il  ghiaccio  galleggia    

 

Dopo  aver  scoperto  che  l’acqua  diventata  ghiaccio  occupa  uno  spazio  maggiore  che  allo  stato  liquido  possiamo  spiegare  che  le  molecole  dell’acqua  gelando  aumentano  la  distanza  fra  di  loro.    Il  ghiaccio  è  dunque  meno  denso  dell’acqua  e  per  questo  galleggia.  Mettiamo  quindi  il  ghiaccio  in  una  bacinella.    Solo  una  piccola  parte  di  ghiaccio  emerge,  il  resto  è  sott’acqua  come  gli  ICEBERG!  

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 Quando  il  ghiaccio  fonde…  

Che  cosa  occorre:  -­‐ un    bicchiere  -­‐ acqua  calda  -­‐ cubetti  di  ghiaccio  

Come  procedere:  Riempire  il  bicchiere  fino  all’orlo  di  acqua  calda,  poi  immergere  alcuni  cubetti  di  ghiaccio  nell’acqua.  L’acqua  traboccherà  quando  i  cubetti  saranno  completamente  sciolti?    Cosa  succede?    Facciamo  fondere  il  ghiaccio  con…  

-­‐ L’asciugacapelli  -­‐ All’aria  -­‐ Con  del  sale  -­‐ Nell’acqua  (ci  mette  più  tempo  all’aria  o  nell’acqua  alla  

stessa  temperatura?)    

Prigione  di  ghiaccio    

 

Che  cosa  occorre:  -­‐ un    fiammifero  -­‐ sale  fino  -­‐ una  vaschetta  per  ghiacci  in  cubetti  -­‐ un  congelatore  -­‐ acqua  

 Come  procedere  Riempire  d’acqua  la  vaschetta  del  ghiaccio.  Appoggiare  in  una  delle  cellette  il  fiammifero,  che  galleggerà  sull’acqua.  Riporre  il  tutto  nel  congelatore  e  aspettare  che  geli,  quindi  estrarre  la  vaschetta.  Il  fiammifero  risulterà  imprigionato  nel  ghiaccio;  come  riuscire  a  toglierlo  senza  aspettare  che  il  ghiaccio  si  sciolga?    

Dove  fonde  prima?    

 

Due   tavolette  quasi  uguali:   toccando   le  due   tavolette   con   le  mani   si  percepisce   quella   di   metallo   come   apparentemente   più   fredda  rispetto   a   quella   di   plastica.   A   differenza   di   ciò   che   si   potrebbe  pensare,   il  ghiaccio   fonde  più  velocemente  sulla   tavoletta  di  metallo  che  su  quella  di  plastica.    In  realtà,  trovandosi  entrambe  le  tavolette  in  equilibrio  termico  con  l’ambiente,  esse  hanno  la  stessa  temperatura.  Il  ghiaccio  fonde  però  più  velocemente  sulla  tavoletta  di  metallo,  perché  questo  materiale  è  un  buon  conduttore  di  calore  e  di  conseguenza  cede  parte  del  suo  calore  e  il  ghiaccio  fonde.  Per  contro,  la  plastica  è  un  cattivo  conduttore  di  calore  e  il  ghiaccio  fa  fatica  a  fondere.  L’esperimento  può  essere  ripetuto  con  un  asse  di  legno  e  una  padella  di  metallo.  

Altri  esperimenti  divertenti   -­‐ Prepariamo  i  ghiaccioli  con  lo  sciroppo  -­‐ Proviamo  a  congelare  il  liquido  antigelo  delle  auto  

 

 

 

 

 

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ESPERIMENTI  con  l’acqua  allo  stato  liquido    

La  pioggia      Con   il   calore   del   sole   l’acqua   evapora   da   laghi,   fiumi,   mari,   dalle   piante   e   dalla  nostra   pelle   …   L’enorme   quantità   di   particelle   di   vapore   acqueo   che   sale  nell’atmosfera,   raffreddandosi,   si   condensa   in   minuscole   gocce   d’acqua   che   si  raggruppano  formando  le  nuvole.    Se   una   nuvola   incontra   dell’aria   calda   si   disperde   evaporando,   se   incontra   aria  fredda,   invece,   le   gocce   che   la   formano   si   uniscono   tra   loro   e   diventano   troppo  pesanti   per   essere   sostenute   dall’aria:   ecco   che   allora   precipitano   al   suolo   sotto  forma  di  pioggia.    

 

 

Il  pluviometro    

 Da  dove  viene  tutta  l’acqua  che  abbiamo  sulla  Terra?  Costruiamo  un  pluviometro  e  misuriamo  la  pioggia  che  cade  in  una  settimana  (meteo  permettendo!).  Un  modo  molto  semplice:  tagliare  la  parte  superiore  di  una  bottiglia  di  PET,  girarla  e  appoggiarla  sul  resto  della  bottiglia.  Misurare  10  ml  di  acqua  con  un  bicchiere  graduato  e  versarla  nella  bottiglia.  Con  il  pennarello,  scrivere  10  ml  sulla  bottiglia.  Fare  un  segno  con  il  pennarello  ogni  10  ml  fino  a  200  ml  per  riuscire  a  determinare  la  quantità  di  acqua  caduta.    

La  pentola  della  pioggia  

       

 

Che  cosa  occorre:  un    pentolino  un  coperchio    un  fornello  acqua    Come  procedere  Riempiamo  d’acqua  il  pentolino  e  lo  mettiamo  sul  fuoco.  Quando  l’acqua  bolle  mettiamo  il  coperchio  nella  nuvola  di  vapore  che  si  alza  dall’acqua.  Cosa  succede?  Perché  …  …  il  vapore  si  condensa  e  forma  goccioline  che  piovono  nella  pentola.  

L’umidificatore  

         

L’umidificatore  produce  ultrasuoni  con  onde  sonore  di  frequenza  maggiore  a  20'000  Hz,  non  percepite  dall’orecchio  umano.  Queste  onde  causano  la  vibrazione  di  una  membrana  metallica  che  a  sua  volta  causa  il  gonfiarsi  di  bollicine  d’acqua,  tanto  che  le  bolle  scoppiano  e  spruzzano  una  quantità  grande  di  molecole  di  acqua  (=  nube  come  vapore).  Ponendo  delle  superfici  conduttrici  di  calore  verso  la  nube  di  vapore,  condensa  e  si  possono  vedere  delle  gocce  d’acqua  (pioggia).  

 

 

 

 

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ESPERIMENTI  con  l’acqua  allo  stato  gassoso  

L’acqua  scompare  nell’aria?  

 

 L’acqua  in  un  bicchiere  aperto  dopo  un  po’  di  tempo  scompare,  mentre  in  quello  coperto  da  un  piattino  rimane  invariata.  Cosa  succede?  Dove  va  a  finire?  

 Possiamo  vedere  il  vapore?  

   Facciamo  bollire  l’acqua  in  un  pentolino  e  osserviamo  il  vapore.  

La  nuvola  in  bottiglia        

http://science.wonderhowto.com/how-­‐to/make-­‐clouds-­‐bottle-­‐176580/

Che  cosa  occorre:  una  bottiglia  di  plastica  trasparente,  il  tappo,  acqua  fredda,  acqua  calda,  un  fiammifero    Come  procedere  Versare  un  po’  di  acqua  fredda  nella  bottiglia  e  subito  dopo  un  po’  di  acqua  calda.  Mettere  velocemente  un  fiammifero  acceso  nella  bottiglia  e  chiudere  bene  con  il  tappo.  Con  le  mani  esercitare  una  pressione  sulla  bottiglia  verso  l’interno  e  poi  rilasciare.  Cosa  succede?  All’interno  della  bottiglia  l’acqua  è  calda,  mentre  l’aria  è  più  fredda.  Esercitando  una  pressione  sulla  bottiglia  l’acqua  si  agita  ed  evapora  più  velocemente.  Il  vapore  incontra  l’aria  fredda  e  si  condensa  trasformandosi  in  minuscole  goccioline  d’acqua  che  formano  la  nuvola.  

 L’evaporazione  raffredda  

 http://urbanpost.it/colpi-­‐di-­‐sole-­‐colpi-­‐di-­‐calore-­‐

come-­‐intervenire  

 Agitando  un  termometro  al  quale  è  stato  applicato  un  batuffolo  di  ovatta  inumidito,  si  osserva  che  la  temperatura  ambiente  diminuisce.  L’evaporazione  raffredda  i  corpi  umidi,  è  per  questo  che  usciti  dall’acqua  si  sente  freddo  e  ci  si  deve  asciugare,  anche  se  la  temperatura  esterna  non  è  bassa.  Il  sudore  serve  a  raffreddare  la  temperatura  corporea  perché  l’evaporazione  sottrae  calore  al  corpo.      

   

 

 

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ALCUNI  ESPERIMENTI  CURIOSI  SUI  CAMBIAMENTI  DI  STATO  

Esperimenti  con  il  ghiaccio  secco  (CO2  biossido  di  carbonio  solido)  sono  molto  appariscenti  ed  efficaci  per  mostrare  i  cambiamenti  di  stato.  Il  ghiaccio  secco  può  essere  acquistato  in  contenitori  isolanti  presso  la  Pan  Gas  (Manno  e  Magadino)  in  quantità  di  alcuni  kg  che  rimane  solido  per  al  massimo  un  paio  di  giorni.      

 

 A  una  temperatura  inferiore  a  -­‐78  °C,  il  CO2  si  trova  nello  stato  di  aggregazione  solido.  A  temperatura  ambiente  il  ghiaccio  secco  sublima  ma  si  vede  ghiacciare  l’acqua  presente  nell’umidità  dell’aria.  

 

 

 Mettendo  il  ghiaccio  secco  nell’acqua  liquida,  quindi  a  una  temperatura  superiore  a  0  °C  ed  inferiore  a  100°C,  il  ghiaccio  secco  sublima  e  diventa  gas,  ben  visibile.  Aggiungendo  un  po’  di  detersivo  liquido  all’acqua,  il  ghiaccio  secco  sublima  e  diventa  gas,  formando  delle  bolle  di  sapone  con  CO2  gassoso  all’interno.    

                                                   

 

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Bibliografia    

Libri  recenti  con  esperimenti  e  divulgativi  Jack   Guichard,   Guy   Simonin   (2011).   50   Expériences   pour   épater   vos   amis   à   table.   Parigi:   Editions   Le  Pommier.  Jack   Guichard,   Kamil   Fadel,   Guy   Simonin   (2012).   50   Expériences   pour   épater   vos   amis   au   jardin.   Parigi:  Editions  Le  Pommier.  Coero  Borga  D.  (2012).  La  fisica  del  giocattolaio.  Torino:  Codice  edizioni.  Lewin  W.  (2013).  Per  amore  della  fisica.  Bari:  Edizioni  Dedalo.  Marelli  M.  Ricci  E.  (2013).  La  fisica  di  007.  I  segreti  della  scienza  al  servizio  di  Sua  Maestà.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.  I  classici:  Zanetti  V.  (1993).  I  giocattoli  e  la  scienza.  AIF.  Doherty  P.  e  altri  (1996)  -­‐  Gli  esperimenti  dell’Exploratorium.  Bologna:  Zanichelli.  Exploratorium  di  San  Francisco  (2003)  -­‐  Tanti  esperimenti.  Trieste:  Editoriale  Scienza.    Altri  libri  con  esperimenti  di  scienze:  Catalogo  Editoriale  Scienza  –  Trieste  http://www.editorialescienza.it/  Per  l’insegnamento  delle  scienze:  Tecnoscienza.it  (2011).  Facciamo  che  eravamo  scienziati.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.  Tecnoscienza.it  (2013).  Facciamo  che  eravamo  inventori.  Trieste:  Scienza  Express  edizioni.  Allasia,  Montel,  Rinaudo  (2004).  La  fisica  per  maestri.  Torino:  Cortina  Editore.  Harlen  W.  (2004).  Enseigner  les  sciences:  comment  faire?  Parigi:  Editions  Le  Pommier.  Masci,  Peres,  Pulone  (2010)  -­‐  Fisica.  Corso  di  sopravvivenza.  Milano:  ed.  Ponte  alle  Grazie.    Sitografia  La  Scatola  di  Einstein:  http://scatoladieinstein.com/documenti/      Steve  Spangler  Science  :  http://www.stevespanglerscience.com/    Invito  alla  natura:  http://invitoallanatura.it/  Esa  ISS:  http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/International_Space_Station    Monica  Marelli:  http://www.monicamarelli.com/      Dove  trovare/comperare    •  Betzold   www.betzold.ch    

•  Classroom  Toys   www.learnaboutlight.co.uk/    

•  Educational  Innovations     www.teachersource.com  

•  Klangspiel   http://www.klangspiel.ch/    

•  L’Angolino,  Locarno   www.angolino.ch  

•  La  Città  del  Sole   www.cittadelsole.com  

•  Natura  e…   www.natura-­‐e.com  

•  Naef  AG     www.naefspiele.ch  

•  Opitec   www.opitec.it  

•  Pastorini  -­‐  Zurigo   www.pastorini.ch  

•  Science  Bob  Store   www.sciencebobstore.com/