LA BOTTIGLIA DI ACQUA LA BOTTIGLIA DI ACQUA CON LA BUSTINA DI CON LA BUSTINA DI

MAIONESEMAIONESEProgetto disciplinare sui principi Progetto disciplinare sui principi

dell’idrostatica e le loro applicazioni dell’idrostatica e le loro applicazioni partendo da uno strano esperimento.partendo da uno strano esperimento.

Di Francesco Serafini docente di Fisica presso Liceo “Raffaello” UrbinoDi Francesco Serafini docente di Fisica presso Liceo “Raffaello” Urbino

Obiettivi didattici e culturali:Obiettivi didattici e culturali:obiettivi didatticiobiettivi didattici::- far conoscere allo studente il concetto di pressione, il principio di - far conoscere allo studente il concetto di pressione, il principio di Pascal, la legge di Archimede.Pascal, la legge di Archimede.- far ragionare lo studente su casi reali, di tutti i giorni cercando di - far ragionare lo studente su casi reali, di tutti i giorni cercando di risolverli utilizzando i concetti della Fisicarisolverli utilizzando i concetti della Fisica- far applicare allo studente i concetti teorici in situazioni pratiche- far applicare allo studente i concetti teorici in situazioni pratiche

obiettivi culturaliobiettivi culturali::- far capire allo studente che la Fisica fa parte della quotidianità e - far capire allo studente che la Fisica fa parte della quotidianità e che può essere una chiave di lettura di fenomeni “strani”.che può essere una chiave di lettura di fenomeni “strani”.- far ragionare lo studente su situazioni reali non facilmente risolvibili - far ragionare lo studente su situazioni reali non facilmente risolvibili stimolando, in una età di crescita e confronto come l’adolescenza, il stimolando, in una età di crescita e confronto come l’adolescenza, il confronto, la curiosità, la problematicità delle situazioni.confronto, la curiosità, la problematicità delle situazioni.- dare alla Fisica una caratteristica di divertimento, curiosità e - dare alla Fisica una caratteristica di divertimento, curiosità e stimolo, passando da una conoscenza mnemonica ad una stimolo, passando da una conoscenza mnemonica ad una conoscenza per capireconoscenza per capire

La metodologia:La metodologia:

FARE Fisica sperimentale con oggetti di facile reperimento, alla FARE Fisica sperimentale con oggetti di facile reperimento, alla portata di tutti, che non nascondino congegni elettronici che molte portata di tutti, che non nascondino congegni elettronici che molte volte mascherano il fenomeno fisico. volte mascherano il fenomeno fisico.

discutere, confrontarsi, mettersi in gioco, tentare strade di discutere, confrontarsi, mettersi in gioco, tentare strade di soluzione per interpretare fenomeni non banali.soluzione per interpretare fenomeni non banali.

ripercorrere in un secondo momento i propri passi dopo ripercorrere in un secondo momento i propri passi dopo l’introduzione di alcuni concetti di Fisica.l’introduzione di alcuni concetti di Fisica.

divertirsi incuriosendosi di fenomeni insoliti o strani.divertirsi incuriosendosi di fenomeni insoliti o strani.

Percorso didatticoPercorso didatticoPrima tappa: Prima tappa: si mostra agli studenti la bottiglia con la bustina di maionesesi mostra agli studenti la bottiglia con la bustina di maionese

Come funziona? Come funziona? Quando si preme la bottiglia di plastica piena Quando si preme la bottiglia di plastica piena d’acqua posizionata verticalmente, la bustina che d’acqua posizionata verticalmente, la bustina che prima galleggiava ora precipita e quando la bottiglia prima galleggiava ora precipita e quando la bottiglia viene rilasciata la bustina torna a galleggiare.viene rilasciata la bustina torna a galleggiare.

Perché avviene questo?Perché avviene questo?

Cosa succede se si mette la bottiglia Cosa succede se si mette la bottiglia orizzontalmente e si preme?orizzontalmente e si preme?

Se ribalto la bottiglia?Se ribalto la bottiglia?

Prima tappa: seguitoPrima tappa: seguitoI ragazzi di solito citano la parola pressioneI ragazzi di solito citano la parola pressione

Si introduce il concetto di pressione Si introduce il concetto di pressione Pressione = Forza/superficie e le unità di misura [N/mPressione = Forza/superficie e le unità di misura [N/m22]=[Pa]]=[Pa]

Costruiamoci l’aggeggio infernaleCostruiamoci l’aggeggio infernale

si prende una bustina di maionese, si mettono ad un capo della bustina tanti fermagli quanto basta per farla galleggiare in posizione verticale appena sotto il pelo dell’acqua. Si mette la bustina così conciata dentro una bottiglia di plastica e la si riempie, al massimo, con acqua e poi la si chiude.

Seconda tappa: Seconda tappa: Si illustra ai ragazzi che cosa succede sott’acqua alla pressione. Si Si illustra ai ragazzi che cosa succede sott’acqua alla pressione. Si dimostra in modo molto semplice l’equazione della pressione dimostra in modo molto semplice l’equazione della pressione idrostatica e si fa notare come questa cambi in modo teorico con idrostatica e si fa notare come questa cambi in modo teorico con l’altezza.l’altezza.

Si tira fuori un secondo aggeggio:Si tira fuori un secondo aggeggio:un misuratore di pressione fatto con un tubicino un misuratore di pressione fatto con un tubicino di gomma. Immergendo una estremità del di gomma. Immergendo una estremità del tubicino in un contenitore d’acqua si vede che tubicino in un contenitore d’acqua si vede che l’acqua colorata all’interno del tubicino si sposta l’acqua colorata all’interno del tubicino si sposta verso l’estremità opposta del tubicino alzandosi. verso l’estremità opposta del tubicino alzandosi.

A che pressione è sottoposta una persona sotto A che pressione è sottoposta una persona sotto 10 m di acqua?10 m di acqua?PPHH= d= dH2OH2Ogh = 1000*9,81*10 = 98100 Pa Un gh = 1000*9,81*10 = 98100 Pa Un valore grande! E’ molto o poco? Se la superficie valore grande! E’ molto o poco? Se la superficie del nostro corpo fosse un metro quadro avremo del nostro corpo fosse un metro quadro avremo sopra di noi un peso d’acqua di 98100 N.sopra di noi un peso d’acqua di 98100 N.

Terza tappa:Terza tappa: Perché allora non si è schiacciati verso il fondo quando si va Perché allora non si è schiacciati verso il fondo quando si va sott’acqua?sott’acqua?

E’ l’occasione per illustrare il principio di E’ l’occasione per illustrare il principio di PascalPascal. Si può far vedere con il misuratore . Si può far vedere con il misuratore come la pressione sia sostanzialmente la come la pressione sia sostanzialmente la stessa orientando diversamente la superficie stessa orientando diversamente la superficie del tubo immersadel tubo immersaMa questo non risolve i problemi del nostro Ma questo non risolve i problemi del nostro sub, anzi, peggio di peggio adesso viene sub, anzi, peggio di peggio adesso viene spinto sopra sotto, a destra, a sinistra, sulla spinto sopra sotto, a destra, a sinistra, sulla testa, ovunque. testa, ovunque. Ma è davvero grande la pressione a cui è Ma è davvero grande la pressione a cui è sottoposto il sub sotto i dieci metri d’acqua? sottoposto il sub sotto i dieci metri d’acqua? Normalmente a che pressione siamo Normalmente a che pressione siamo sottoposti quando siamo in aria? sottoposti quando siamo in aria? Si introduce l’esperimento di Torricelli. Il valore Si introduce l’esperimento di Torricelli. Il valore della pressione atmosferica è un valore della pressione atmosferica è un valore notevole 1,01 *105Pa. notevole 1,01 *105Pa. Il nostro sub non soffre poi così tanto.Il nostro sub non soffre poi così tanto.

Quarta tappa: Quarta tappa: La pressione atmosferica è sempre la stessa?La pressione atmosferica è sempre la stessa?

Questa cambia con l’altitudine (effetto: mi si chiudono le orecchie Questa cambia con l’altitudine (effetto: mi si chiudono le orecchie quando scendo da una collina) e cambia con le condizioni quando scendo da una collina) e cambia con le condizioni meteorologiche.meteorologiche.

Per evidenziare sperimentalmente questo Per evidenziare sperimentalmente questo fatto si lascia in classe sopra un armadio un fatto si lascia in classe sopra un armadio un baroscopio.baroscopio.

Si possono far vedere Si possono far vedere alcune “magie” causate alcune “magie” causate dalla pressione dalla pressione atmosferica, come la atmosferica, come la possibilità di non far possibilità di non far cader un vaso d’acqua cader un vaso d’acqua chiuso con un foglietto di chiuso con un foglietto di plastica.plastica.

Quinta tappa: Quinta tappa: Galleggia ancora la bustina di maionese dentro la bottiglia d’acqua? Galleggia ancora la bustina di maionese dentro la bottiglia d’acqua? Ci occorre capire perché le cose galleggiano.Ci occorre capire perché le cose galleggiano.

Allora il legno galleggia, il ferro no, le cose leggere galleggiano le Allora il legno galleggia, il ferro no, le cose leggere galleggiano le cose pesanti no. E perché una portaerei galleggia pur essendo cose pesanti no. E perché una portaerei galleggia pur essendo pesante e di ferro? pesante e di ferro? Facciamo un altro esperimento: prendiamo Facciamo un altro esperimento: prendiamo una pallina di pongo. Galleggia? No, ma se la una pallina di pongo. Galleggia? No, ma se la facciamo a forma di scodella o di barca questa facciamo a forma di scodella o di barca questa galleggia. Ha cambiato peso? No il pongo è galleggia. Ha cambiato peso? No il pongo è sempre quello, ha cambiato materiale? No il sempre quello, ha cambiato materiale? No il pongo è sempre pongo. Cosa è cambiato? La pongo è sempre pongo. Cosa è cambiato? La forma. Questo è il punto di partenza per forma. Questo è il punto di partenza per illustrare il principio di Archimede.illustrare il principio di Archimede.Ciò spiega perché una barca di ferro pesante Ciò spiega perché una barca di ferro pesante galleggia, perché dentro è vuota e il volume galleggia, perché dentro è vuota e il volume spostato da luogo ad una spinta di Archimede spostato da luogo ad una spinta di Archimede uguale al peso della barca. uguale al peso della barca.

Quinta tappa: continuoQuinta tappa: continuoUn classico esperimentoUn classico esperimento

Misuriamo la spinta di Archimede con un dinamometro, pesando un Misuriamo la spinta di Archimede con un dinamometro, pesando un oggetto in aria e poi immergendolo in acqua. oggetto in aria e poi immergendolo in acqua. Interessante può essere riflettere su alcune situazioni sperimentali:Interessante può essere riflettere su alcune situazioni sperimentali:

• Cosa succede alla spinta di Archimede se Cosa succede alla spinta di Archimede se immergiamo il corpo sotto 4cm di acqua?immergiamo il corpo sotto 4cm di acqua?• Cosa succede alla spinta di Archimede se il Cosa succede alla spinta di Archimede se il corpo è semi immerso? corpo è semi immerso? • Cosa succede se al posto di un cilindretto di Cosa succede se al posto di un cilindretto di ferro utilizziamo un cilindretto di alluminio?ferro utilizziamo un cilindretto di alluminio?

Last but not list, il classico dei classici cilindro Last but not list, il classico dei classici cilindro cavo dello stesso volume identico del cilindro cavo dello stesso volume identico del cilindro immerso . La spinta di Archimede viene immerso . La spinta di Archimede viene compensata riempiendo il cilindro cavo di acqua. compensata riempiendo il cilindro cavo di acqua. E se lo riempissi di sassolini?E se lo riempissi di sassolini?

Quinta tappa: continuoQuinta tappa: continuoUn altro esperimentoUn altro esperimento

Si utilizza una specie di bilancia con da una parte sospeso un Si utilizza una specie di bilancia con da una parte sospeso un bicchiere pieno d’acqua Se metto un pezzo di ferro dentro l’acqua del bicchiere pieno d’acqua Se metto un pezzo di ferro dentro l’acqua del bicchiere, senza lasciarlo cosa succede alla bilancia, da che parte si bicchiere, senza lasciarlo cosa succede alla bilancia, da che parte si squilibra?squilibra?

Cosa succede se invece di Cosa succede se invece di sospendere il bicchiere sospendere il bicchiere sospendiamo il cilindro di ferro e sospendiamo il cilindro di ferro e mettiamo all’interno il cilindro mettiamo all’interno il cilindro (toccando solo l’acqua)?(toccando solo l’acqua)?

Sesta tappa:Sesta tappa: Cosa succede alla maionese dentro alla bottiglia?Cosa succede alla maionese dentro alla bottiglia? Ora abbiamo tutti gli strumenti per capirlo:Ora abbiamo tutti gli strumenti per capirlo:

All’inizio la bustina galleggia, allora il peso della All’inizio la bustina galleggia, allora il peso della bustina è uguale alla spinta di Archimede.bustina è uguale alla spinta di Archimede.Esercitando pressione sulla bottiglia la bustina Esercitando pressione sulla bottiglia la bustina affonda quindi o il peso è aumentato (impossibile) o affonda quindi o il peso è aumentato (impossibile) o la spinta di Archimede è diminuita. la spinta di Archimede è diminuita. Ma cosa è cambiato della Spinta di Archimede? La Ma cosa è cambiato della Spinta di Archimede? La densità dell’acqua? Non in modo significativo.densità dell’acqua? Non in modo significativo. L’accelerazione di gravità? Non direi se siamo rimasti L’accelerazione di gravità? Non direi se siamo rimasti sulla terra. E’ il volume spostato dalla bustina di sulla terra. E’ il volume spostato dalla bustina di maionese, che a fronte dell’aumento della pressione maionese, che a fronte dell’aumento della pressione all’interno dell’acqua (principio di Pascal), diminuisce all’interno dell’acqua (principio di Pascal), diminuisce facendo diminuire la spinta di Archimede. Lasciata la facendo diminuire la spinta di Archimede. Lasciata la bottiglia la pressione all’interno ritorna normale, la bottiglia la pressione all’interno ritorna normale, la bustina riacquista il suo volume, la sua spinta di bustina riacquista il suo volume, la sua spinta di Archimede e la sua posizione iniziale.Archimede e la sua posizione iniziale.

Il Diavoletto di CartesioIl Diavoletto di CartesioStoricamente questo tipo di esperimento era chiamato “Diavoletto di Storicamente questo tipo di esperimento era chiamato “Diavoletto di Cartesio”. Nei manuali storici (es. Ganot 1858) è proposto come Cartesio”. Nei manuali storici (es. Ganot 1858) è proposto come gioco di osservazione.gioco di osservazione. Il modello storico era costituito da un tubo di vetro Il modello storico era costituito da un tubo di vetro riempito d’acqua con uno stantuffo in cima. riempito d’acqua con uno stantuffo in cima. All’interno dell’acqua vi era una bambolina in vetro All’interno dell’acqua vi era una bambolina in vetro o ceramica a volte proprio a forma di diavoletto o ceramica a volte proprio a forma di diavoletto capace, all’aumentare della pressione di capace, all’aumentare della pressione di immagazzinare acqua, entrante da un piccolo foro, immagazzinare acqua, entrante da un piccolo foro, e quindi di appesantirsi e precipitare.e quindi di appesantirsi e precipitare.

Altri diavoletti di CartesioAltri diavoletti di CartesioSono proposti altri due modelli didattici di diavoletti di Cartesio che Sono proposti altri due modelli didattici di diavoletti di Cartesio che precipitano al cambiare della pressione immagazzinando acqua, precipitano al cambiare della pressione immagazzinando acqua, cambiando quindi peso.cambiando quindi peso.

Il secondo modello stupisce i ragazzi perché se si preme sulla pancia della bottiglia una pipetta precipita, se si preme la bottiglia sui lati la seconda pipetta sale.

Conclusione: Conclusione: Il tipo di percorso presentato dà valore, anche agli occhi di ragazzini Il tipo di percorso presentato dà valore, anche agli occhi di ragazzini a volte demotivati e annoiati, alla Fisica nel suo studio teorico e a volte demotivati e annoiati, alla Fisica nel suo studio teorico e sperimentale.sperimentale.

La serie di piccoli esperimenti fatti con materiale povero e di uso La serie di piccoli esperimenti fatti con materiale povero e di uso comune porta la Fisica nel quotidiano e lo studio delle scienze ad un comune porta la Fisica nel quotidiano e lo studio delle scienze ad un livello di discussione. livello di discussione. Mi sono trovato a volte a chiedere ai ragazzi perché e come Mi sono trovato a volte a chiedere ai ragazzi perché e come succedesse un determinato fenomeno, loro rispondevano: succedesse un determinato fenomeno, loro rispondevano: ““ci sarà un congegno che fa questo, un altro congegno che fa ci sarà un congegno che fa questo, un altro congegno che fa quest’altro, demandando ad uno strumento tecnico, ad una scatola quest’altro, demandando ad uno strumento tecnico, ad una scatola nera, ad un computer o ad un sistema elettronico il compito di capirlo nera, ad un computer o ad un sistema elettronico il compito di capirlo e risolverlo”. e risolverlo”.

Distruggere nei ragazzi la visione prettamente utilitaristica delle Distruggere nei ragazzi la visione prettamente utilitaristica delle scienze ed in particolare della Fisica è di fondamentale importanza scienze ed in particolare della Fisica è di fondamentale importanza per rimotivare, incuriosire ed appassionare i ragazzi a vedere il per rimotivare, incuriosire ed appassionare i ragazzi a vedere il mondo come una cosa da scoprire e da capire ragionando con mezzi mondo come una cosa da scoprire e da capire ragionando con mezzi teorici, pratici e sperimentali sempre migliori.teorici, pratici e sperimentali sempre migliori.