M.I.U.R. Indicazioni nazionali Anno Scolastico 2013/14 · proprio volume (occupa uno spazio ......

“Scienze 3.14”

Fare fisica sperimentale:

esempio di un curricolo verticale sui fluidi

a cura del Gruppo di Progetto scuole in Rete di Pavia e provincia

[M.I.U.R. INDICAZIONI NAZIONALI ANNO SCOLASTICO 2013/14

A cura del Gruppo di Progetto Scienze 3.14

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I SISTEMI LIQUIDI

PERCHE’ IL LIQUIDO E’ LIQUIDO? Il liquido è una sostanza che non ha una forma propria, assume la forma del contenitore, ha un proprio volume (occupa uno spazio) ed è scarsamente comprimibile.

Esperimento 1: GIOCHI CON L’ACQUA Scopo Capire che i fluidi non hanno una forma propria. Materiali Contenitori trasparenti di diversa forma e grandezza: due di questi graduati, acqua. Procedimento:

a) Far travasare l’acqua in contenitori diversi, osservare che forma acquista un liquido libero di muoversi. Verbalizzare le esperienze e disegnarle.

b) Versare una piccola quantità d’acqua sul piano del tavolo e osservare che l’acqua, come tutti i liquidi, scorre e non assume una forma propria.

Cosa accade e perché L’acqua è fluida: può essere versata e vi si possono immergere degli oggetti. Le molecole che la costituiscono, infatti, si muovono scivolano l’una rispetto all’altra, si spostano cercando di stare vicine, perché si attirano a vicenda.

Esperimento 2: MOLECOLE FITTE/MOLECOLE RADE Scopo Facciamo visualizzare ai bambini, attraverso una drammatizzazione, com’è fatta una goccia d’acqua e come si comporta quando passa dallo stato liquido a quello solido. Materiali Scotch colorati uno rosso e uno blu. Premessa teorica

- La densità è una caratteristica specifica della sostanza. La differenza di densità tra due

sostanze può derivare da due motivi: perché c'è una diversa distanza media tra

i granelli microscopici che formano la materia, perché la massa dei singoli corpuscoli

(cioè dei singoli atomi) è diversa. Le densità possono variare molto da sostanza a

sostanza, anche prendendo sostanze abbastanza simili fra di loro: ad esempio un metallo

come l'alluminio è molto più leggero di altri metalli come il ferro, perché la sua densità è

minore. Nel caso dei solidi, le distanze fra gli atomi sono molto simili per le diverse

sostanze e quindi le differenze di densità, come quella tra ferro e alluminio, sono dovute

al fatto che l'atomo di ferro è effettivamente molto più pesante di quello di alluminio. Se

invece confrontiamo due sostanze, come il ghiaccio e l'acqua, che sono fatte degli stessi

atomi, dato che le masse dei singoli atomi sono uguali, le differenze di densità sono

dovute alle diverse distanze fra gli atomi: nel ghiaccio, che ha densità minore, le distanze

sono maggiori che nell'acqua, che ha densità maggiore. Se poi l'acqua evapora e diventa

un gas, la densità diventa enormemente più piccola, il che significa che la distanza media

fra le molecole del gas è molto più grande.



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La densità esprime il rapporto tra massa e il volume. - Le molecole si attraggono le une con le altre. - Nei solidi le molecole si attraggono molto e così è difficile spezzare il loro legame. - Nei liquidi quest’attrazione è meno forte. - Alzando la temperatura di un liquido le particelle di cui è composto, si agitano di più e in uno stesso spazio se ne trovano di meno, la loro densità diminuisce; abbassando la temperatura, le particelle si muovono di meno e quindi in uno stesso spazio può contenerne di più. Percorso didattico I bambini impersonano le molecole d’acqua:

a. il corpo rappresenta l’ossigeno

b. le braccia rappresentano gli idrogeni

c. le mani restano disponibili a formare i legami

idrogeno attaccandosi, senza stingere troppo, alle

caviglie di un altro bambino. Le caviglie

rappresentano i due appigli forniti all’ossigeno.

Una mano non può stringerne un’altra, ma deve

respingerla un poco.

I bambini sdraiati per terra stringono con le loro mani le

caviglie dl due compagni vicini.

Proviamo ora a simulare cosa accade quando la temperatura si abbassa e la goccia d’acqua

diventa ghiaccio: le mani tengono ancora le caviglie dell’altro bambino ma si tendono e lo

spazio occupato dai bambini così distesi è maggiore rispetto a prima così pure lo spazio tra i

singoli bambini.

La goccia d’acqua è diventata un cristallo di ghiaccio con le molecole disposte in una rete molto

aperta con numerosi spazi vuoti (bassa densità). I legami d’idrogeno tengono unito il cristallo

trasmettendogli forza e rigidità, ma nello stesso tempo sono anche responsabili dei suoi spazi vuoti,

o in altre parole della sua bassa densità rispetto all’acqua. Ecco perché il ghiaccio galleggia

sull’acqua.

Esperimento 3: LE GOCCE SI ATTACCANO E SI STACCANO, IL PASSAGGIO DI STATO DELL’ACQUA Scopo Studio del passaggio di stato da liquido a solido. Materiali Acqua, un piccolo recipiente, congelatore. Procedimento Mettere un po’ d’acqua in un recipiente e segnare con un pennarello il livello. Porre il tutto dentro ad un congelatore, lasciarlo per il tempo necessario alla solidificazione. Estrarre il recipiente e osservare cosa è accaduto.



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Cosa accade e perché L’acqua si è trasformata in ghiaccio e ha superato il livello segnato in precedenza. Al momento del congelamento l’acqua si espande e lo stesso numero di molecole occupa uno spazio più grande.

ROMPIAMO L’ACQUA: LA COESIONE Perché è così doloroso prendere una panciata sbagliando un tuffo o com’è possibile far rimbalzare un sasso piatto sulla superficie di un mare calmo prima che affondi. Queste esperienze danno la percezione della superficie dell’acqua come qualcosa di resistente, che è difficile rompere. Esperimento 4: LA FORMA DELL’ACQUA Scopo Osservare la coesione di una goccia d’acqua. La forza di coesione mantiene unite le molecole del liquido le une alle altre. Materiali Un contagocce o una siringa priva di ago, un bicchiere, piccoli materiali (graffette, fermagli). Procedimento Versiamo dell’acqua sul tavolo e osserviamo il comportamento: la vedremo allargarsi in una chiazza tondeggiante che ci appare come rivestita da un involucro trasparente. Tocchiamola delicatamente con il polpastrello del dito. Cosa accade e perché La chiazza rimane intatta e non si spande. Procedimento Riempiamo un bicchiere d’acqua fino all’orlo e poi ci facciamo cadere molto delicatamente alcune gocce d’acqua con una siringa: l’acqua supererà visibilmente il margine senza traboccare dando proprio l’impressione di essere racchiusa da una pellicola che non fa uscir l’acqua

Cosa accade e perché Questa pellicola avvolgente esiste davvero ed è fatta di molecole d’acqua ben ordinate e ben tese sulla superficie dell’acqua. Le molecole della superficie, non avendo altre molecole che le attirino dall’alto, sono legate fra loro più tenacemente. Ogni molecola che si trova sulla superficie della goccia è soggetta a forze esercitate solo dalle molecole vicine e da quelle sottostanti ed è quindi attratta verso il centro della massa del liquido.

Sulla superficie dell’acqua si viene a creare uno strato ordinato di molecole legate tra loro, una specie di pellicola resistente, che crea uno stato di tensione superficiale. E’ così che si forma una specie di pellicola resistente capace di sostenere anche piccoli pesi. Quando riempi il bicchiere fino all’orlo, osserva da vicino la superficie dell’acqua: se supera l’orlo, s’incurva. La tensione superficiale, infatti, tende a racchiudere l’acqua come in un sacchetto e se l’acqua è, poca la chiude in una forma rotonda: la goccia. E’ proprio questa tensione superficiale che permette ad alcuni animali di camminare sull’acqua come l’idrometra e a te di fare le bolle di sapone.



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Esperimento 5: LA PELLE DELL’ACQUA

SCOPO Dimostrare la presenza della tensione superficiale. Materiali Ago, bicchiere, pinzette. Procedimento: 1. riempi un bicchiere d’acqua fino all’orlo; 2. prendi un ago con le pinzette e adagialo molto

delicatamente sulla superficie dell’acqua. Cosa accade e perché L’ago galleggia perché le molecole d’acqua, in superficie, formano come una pellicola che è in grado di sostenere un corpo leggero. Ognuna delle molecole che si trova all’interno di una goccia d’acqua è soggetta a forze di attrazione esercitate in tutte le direzioni dalle altre molecole che la circondano, si trova quindi in una situazione di equilibrio; diversamente, ogni molecola che si trova sulla superficie della goccia è soggetta a forze esercitate solo dalle molecole vicine e da quelle sottostanti ed è quindi attratta verso il centro della massa del liquido. Al confine fra acqua e aria si crea di conseguenza uno stato ordinato di molecole legate tra loro. La forza che tiene unite le molecole si chiama tensione superficiale.

Esperimento 6: BUCHI NELL’ACQUA

Materiale Borotalco, acqua, sapone liquido, un catino Procedimento: a. Riempi d’acqua un catino. b. Cospargi di borotalco la superficie dell’acqua c. Immergi qua e là la punta di un dito, come per bucherellare

l’acqua. Cosa accade e perché Appena togli il dito la pellicola superficiale, resa visibile dal talco, si richiude perché la tensione superficiale è una forza intensa, che s’interrompe solo momentaneamente quando immergi il dito.

Procedimento: d. Metti su un dito una goccia di sapone

liquido e immergi il dito insaponato in un punto vicino al bordo del lavandino.

e. Bucherella il borotalco con il dito insaponato. Che cosa succede e perché Alla prima immersione del dito insaponato il borotalco si allontana di colpo da quel punto. Le successive immersioni nella zona con il borotalco lasciano dei buchi. Il sapone diminuisce la tensione nel punto in cui il dito s’immerge, sul resto della superficie la tensione risulta maggiore e

attira e trattiene il borotalco. I buchi lasciati dal dito insaponato non si richiudono perché in quei



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punti il sapone non permette che le molecole si attraggano tra loro e ricompongano la pellicola superficiale.

Esperimento 7: BARCA A SAPONE

Scopo Rompere la tensione superficiale di un liquido (acqua, olio, aranciata, ecc.). Il sapone diminuisce la forza che tiene unite le molecole d’acqua. Procedimento: a. Riempi d’acqua un catino. b. Ritaglia dal cartoncino una sagoma triangolare e quando

l’acqua è ferma, appoggiala in un angolo del catino, con la punta rivolta verso il centro.

c. Metti un po’ di sapone sulla punta di un dito e immergi il dito dietro la barca.

Che cosa succede e perché La barca parte di scatto verso il lato opposto del recipiente. Infatti, all’inizio dell’esperimento la barca sta ferma perché la tensione superficiale la attira in tutte le direzioni. Il sapone riduce la tensione dietro la barca, che quindi è attirata in avanti, nella zona dove la tensione è ancora forte. Se vorrai rifare l’esperimento, dovrai cambiare acqua. Adesione e coesione insieme spiegano il fenomeno della CAPILLARITA’, la tendenza cioè di una sostanza liquida a salire all’interno dei vasi conduttori delle piante fino ad altezze considerevoli.

L’ACQUA INCONTRA I MATERIALI Studio della relazione tra l’acqua e altri materiali: la forza di adesione

Esperimento 8: SI BAGNA O NON SI BAGNA? SCOPO Studiare come i diversi materiali si bagnano con l’acqua. Quando si dice che l'acqua bagna, si pensa di solito ai vestiti inzuppati di pioggia dopo un improvviso temporale che ci ha colti impreparati; in realtà l'espressione 'bagnare' si riferisce a una particolare proprietà che i liquidi possono possedere o no. I liquidi, come tutte le sostanze, sono formati da molecole, le quali, essendo a loro volta composte da atomi, sono soggette a forze che possono essere di tipo attrattivo o repulsivo nei riguardi delle sostanze che le circondano; in particolare le forze attrattive possono essere di due tipi: forze di coesione e forze di adesione. Le forze di coesione sono quelle che attraggono fra loro le molecole dello stesso liquido: una molecola d'acqua con un'altra molecola d'acqua, una d'olio con un'altra d'olio ecc... Le forze di adesione sono invece quelle che si esercitano tra le molecole del liquido e quelle del solido con cui viene a contatto. Secondo il tipo di liquido prevalgono o le forze di coesione o quelle di adesione. Se prevalgono le forze di adesione si dice che il liquido bagna.



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Materiale Bacinella, acqua, tulle, carta assorbente, spugne, pezzi di stoffa, polistirolo, fogli di plastica liscia, un pezzo di plastica ruvido, gomma, vetro, ceramica. Procedimento Immergiamo in una bacinella d’acqua del tulle, carta assorbente, spugne, pezzi di stoffa, polistirolo, fogli di plastica liscia, un pezzo di plastica ruvido, gomma, vetro, ceramica. Che cosa succede e perché Il tulle si bagna ma non assorbe, l’acqua non rimane e non si strizza; il tessuto di cotone assorbe l’acqua; sul polistirolo le gocce rimangono divise e l’acqua scorre via subito; la plastica sia liscia che ruvida non si bagna e l’acqua scivola via. L’acqua quando viene a contatto con un oggetto può a) scivolare, b) essere assorbita, c) bagnare l’oggetto. L’acqua scivola sul polistirolo, sul foglio di acetato, sulla padella antiaderente: le gocce rotolano via, quasi sferiche, senza attaccarsi al materiale antiaderente. L’acqua bagna un oggetto come il nostro corpo quando le gocce si spandono come a formare un velo che in qualche modo si “attacca” all’oggetto. L’acqua è assorbita quando penetra dentro il materiale. Realizziamo un cartellone suddiviso in tre colonne e disponendo i materiali secondo i tre diversi comportamenti dell’acqua.

Esperimento 9: ASSORBE O NON ASSORBE?

SCOPO Suddividere i materiali secondo la caratteristica di assorbire o non assorbire l’acqua. Procedimento Riprendiamo lo stesso esperimento precedente. Che cosa succede e perché Per assorbire l’acqua, un oggetto deve tenerla dentro, perché questo accada, ci devono essere dei fori della “dimensione” giusta. Infatti, se i buchi sono troppo piccoli, l’acqua non riesce a entrare come succede nelle membrane impermeabili: ombrelli, giacche a vento. Questi tessuti hanno dei fori così piccoli che impediscono alle molecole d’acqua, legate tra loro in forma di gocce di pioggia, di passare attraverso il tessuto. Se invece i buchi sono troppo grossi, succede come nel tulle che ha le fibre più staccate e l’acqua non è trattenuta e passa giù. Tutti i materiali che assorbono devono avere una struttura porosa nella quale l’acqua riesce a penetrare, cacciando via l’aria che occupa i piccolissimi spazi interni.

LA FORZA DELL’ACQUA: IL MOTO DELL’ACQUA L’acqua scorre verso il basso attratta dalla forza di gravità e la sua forza di caduta è tale da poter essere trasformata in energia elettrica.

Esperimento 10: L’ACQUA VA IN SALITA

Materiale Due vetrini, un elastico, uno stuzzicadenti, acqua.



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Procedimento: a. Sovrapponi i due vetrini in modo da farli coincidere perfettamente; lungo uno dei lati lunghi

interponi uno stuzzicadenti e ferma la struttura con un elastico facendo in modo che il tutto rimanga ben unito;

b. Immergi verticalmente questo strumento nell’acqua. Che cosa succede e perché Dopo qualche secondo l’acqua sale nello spazio tra i due vetrini, risalendo molto più in alto dove i due vetrini sono più a contatto, mentre l’altezza decresce man mano che ci si avvicina al lato in cui i due vetrini sono separati dallo stuzzicadenti. Lo spazio tra i due vetrini è diverso ed è minore dove i vetrini sono più vicini. Poiché l’acqua sale tanto di più, quanto più sottile è il tubo capillare, l’acqua raggiunge la sua massima altezza sul lato, dove i vetrini si toccano e decresce man mano fino al livello minimo. L’acqua, infatti, nei tubi molto stretti si arrampica come se fosse attratta verso l’alto: è il fenomeno della capillarità, che permette alle piante di assorbire con le radici l’acqua dal terreno e farla arrivare fino alle foglie. Contemporaneamente la quantità d’acqua nel capillare è molto poca rispetto al vetro che la circonda, quindi la forza di adesione è molto potente e permette di attirare l’acqua verso l’alto vincendone il peso.

Esperimento 11: IL FIORE CHE SBOCCIA

Materiale Un foglio colorato, forbici, un piatto fondo con dell’acqua. Procedimento

a. Riproduci la sagoma che vedi nell’illustrazione e ritagliala. b. Piega verso l’interno i petali lungo le linee tratteggiate. c. Appoggia il fiore di carta sull’acqua

Che cosa succede e perché Il fiore lentamente si apre. L’acqua penetra per capillarità nei piccoli spazi vuoti che ci sono fra le fibre della carta e la gonfia, di conseguenza le piegature si distendono facendo aprire il fiore.

GALLEGGIA O NON GALLEGGIA?

Ci sono due strade concettuali con cui usualmente si affronta il galleggiamento:

La ricerca della "proprietà significativa" (peso specifico o densità); La formulazione di un modello fisico per la spinta idrostatica: la forza di Archimede

QUESTIONI DI DENSITA’ Esperimento 12: E’ SEMPRE COCA COLA Materiale Due bottiglie da ½ litro di Coca Cola, senza etichetta (vedi “Teaching Sienze in Eupope”) con tappo dello stesso colore.



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Procedimento e osservazioni Spiegare che le due bottiglie contengono Coca Cola. Entrambe le bottiglie vengono inserite in un contenitore più grande (ad esempio un acquario o un secchio), che viene poi riempito con acqua. Poco prima che il livello dell'acqua raggiunga i tappi a vite, la bottiglia di Coca - Cola light comincia a galleggiare, mentre la bottiglia di Coca -Cola rimane in fondo al contenitore. Nota: in commercio è facile distinguere la bottiglia di Coca Cola da quella light perché i tappi sono di colore diversi: rosso e grigio, per questo motivo occorre cambiare il tappo alla bottiglia di Coca Cola light. Perché La Coca - Cola e Coca- Cola light sono bevande molto dolci. Coca- Cola in generale contiene una grande quantità di zucchero. A causa di questo alto tenore di zucchero coca cola ha una densità maggiore rispetto all’acqua. Il peso della bottiglia riempita di Coca - Cola è quindi superiore alla spinta idrostatica dell'acqua. Così la bottiglia piena di Coca - Cola rimane sul fondo del contenitore. Per Coca - Cola light , lo zucchero viene sostituito da una quantità significativamente minore di dolcificante quindi la bevanda ha solo marginalmente densità maggiore dell'acqua. Gli studenti sono invitati a riflettere e a cercare delle risposte. Tutti sappiamo che ci sono oggetti che galleggiano ed oggetti che affondano. Sappiamo anche con sicurezza che determinati oggetti galleggiano e determinati altri affondano. Di alcuni oggetti non sappiamo come si comportano. Inizia così una serie di attività sperimentali per capire perché un corpo galleggia o affonda. Al termine delle attività sperimentali per verificare il diverso contenuto delle due bottiglie si possono pesare; poiché essendo il volume lo stesso, quello che varia è il peso e di conseguenza la densità.

Esperimento 13: GALLEGGIA O AFFONDA

Materiale Una mela, una carota, una patata, un uovo, un’arancia, un pezzo di legno, una gomma, una candelina, un pezzo di spago annodato, un chiodo, una paglietta d’acciaio, un tappo di sughero, un pezzo di spugna, un foglio di alluminio, un sasso, un ago, due forchette uguali per forma e grandezza una di plastica e l’altra di metallo, un recipiente trasparente alto stretto e graduato. Procedimento Con i bambini scegliamo alcuni oggetti, tra quelli che si trovano a scuola e aggiungiamo anche quelli sopra elencati. Sebbene tutti i bambini abbiano delle esperienze di galleggiamento, alcuni oggetti hanno un comportamento non facile da prevedere. Prima di procedere con le prove di galleggiamento si prepara un grande foglio di carta, lo si divide in due parti con una riga e si scrive "affonda" da un lato e "galleggia" dall'altro ("sink" e "float" nella foto).



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Si dispongono gli oggetti che si pensa affonderanno nella parte "affonda" e quelli che si pensa galleggeranno nella parte "galleggia". Si fotografa la situazione di previsione e si procede con l'esperimento. Mano a mano che si effettuano le prove, si dispongono di nuovo gli oggetti sul foglio. Infine si fotografa la situazione ottenuta. Dal confronto tra le due foto può emergere un'interessante discussione. -L’insegnante potrà contemporaneamente realizzare il “cartellone delle previsioni e delle osservazioni”, inserendo eventualmente anche una terza colonna quella delle previsioni incerte e registrare le risposte dei bambini prima dell’esperimento. -Successivamente si procede all’esperimento: i bambini provano ordinatamente ad immergere, uno alla volta, i diversi oggetti e quindi a verificare se le loro previsioni corrispondono a ciò che stanno osservando. Dopo la verifica sperimentale si possono aggiungere, sullo stesso cartellone, le due colonne delle OSSERVAZIONI e si registrano i risultati dell’esperienza.

DISEGNO OGGETTO

PREVISIONI galleggia affonda

PREVISIONI INCERTE

OSSERVAZIONI galleggia affonda

Occorre far osservare e far riflettere su: cosa succede all’acqua quando immergi un oggetto, se gli oggetti che galleggiano lo fanno tutti allo stesso

modo, alcuni oggetti pesanti come la mela galleggiano mentre

altri, leggeri, come l’ago, affondano. Quali sono le proprietà degli oggetti che determinano il galleggiamento? Osservare attentamente le caratteristiche degli oggetti. Procedimento In particolare poniamo l’attenzione sull’arancia che abbiamo osservato galleggiare. Ora la sbucciamo e la poniamo nuovamente nel recipiente con dentro l’acqua.



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Che cosa succede e perché Ora l’arancia affonda perché la buccia rendeva il frutto più voluminoso e quindi spostava una maggiore quantità d’acqua sufficiente per farlo galleggiare, inoltre la buccia contiene una buona quantità d’aria che funziona come un salvagente. Ci sono oggetti che hanno un comportamento “irregolare”, cioè possono sia galleggiare che andare a fondo: dipende di che cosa sono fatti.

Esperimento 14: E’ PIU’ DENSO IL LEGNO O IL FERRO? Materiale utilizzato Un catino pieno d’acqua Due biglie delle stesse dimensioni una di legno e l’altra di ferro. Procedimento:

1. Riempi il catino d’acqua e immergi le due biglie.

Che cosa succede? La biglia di legno galleggia, la biglia di ferro, delle stesse dimensioni, affonda pur spostando la stessa quantità d’acqua va a fondo. Perché? Il ferro è più denso sia del legno che dell’acqua. Se un corpo è più denso dell’acqua è destinato ad affondare, perché la spinta idrostatica non riesce a sostenerlo. Se pensiamo al ferro, lo pensiamo come un qualcosa di più pesante rispetto al legno, poiché una pallina di ferro e una pallina di legno, che hanno le stesse dimensioni hanno un peso molto diverso. Se le palline sono uguali ma con peso diverso significa che deve esserci qualcosa che le differenzia. Senza dubbio quella più pesante è di ferro. Questo dipende da una caratteristica specifica della sostanza che non dipende dalla sua quantità ed è chiamata densità.

Esperimento 15: UN SOLIDO SPECIALE: IL GHIACCIO Scopo Studio del comportamento ghiaccio Materiali Un contenitore, acqua, cubetti di ghiaccio. Procedimento In un contenitore pieno d’acqua immergiamo alcuni cubetti di ghiaccio.

Cosa accede e perché I cubetti di ghiaccio galleggiano sull’acqua perché il ghiaccio ha una densità minore dell’acqua. Gli spazi che si sono creati tra una molecola e l’altra nel momento del congelamento rende il ghiaccio meno denso dell’acqua; esso occupa un volume maggiore e ciò gli permette di galleggiare sull’acqua.



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Esperimento 16: LE PALLINE DI CARTA STAGNOLA

Materiale Due fogli di alluminio, uno schiaccianoci, acqua e un recipiente. Procedimento

a) Prendere i due fogli d’alluminio e appallottolarli. b) Metterli nella vaschetta piena d’acqua.

Che cosa succede e perché Le due palline galleggeranno. Sappiamo che l’alluminio è più denso dell’acqua, ha cioè un peso specifico maggiore dell’acqua e perciò le due palline dovrebbero andare a fondo. Ciò non avviene perché anche se i fogli di alluminio sono stati compressi, al loro interno, è rimasta dell’aria. E’ proprio la presenza dell’aria a permettere il galleggiamento. Come avviene per le navi che hanno una forma tale che al loro interno hanno ampi spazi vuoti, cosicché l’insieme del peso specifico dell’aria e del ferro è minore di quello dell’acqua. Procedimento

c) Ora prendi una delle due palline di carta d’alluminio, schiacciala molto bene con lo schiaccianoci in modo di far uscire tutta l’aria e poi mettila di nuovo nel recipiente.

Che cosa succede e perché La vedrai andare a fondo. La pallina di alluminio ora è stata compressa in modo da renderla molto densa ecco perché affonda: il peso specifico dell’alluminio è maggiore di quello dell’acqua.

ASPETTI DISCIPLINARI E COGNITIVI Questo lavoro invece di essere presentato direttamente dall’insegnante potrebbe essere l’arrivo di un percorso di apprendimento dopo una serie di attività ed esperienze sul sul galleggiamento. Ad esempio i ragazzi faranno inizialmente le loro ipotesi su come trasformare un blocco di pongo, fino a che non affondi. Dopo averlo appiattito a sufficienza, probabilmente capiranno che conviene girare il bordo verso l'alto, in modo che non venga appesantito dall'acqua che gli va sopra. In questo modo ricostruiscono la spiegazione del perché le navi galleggino.

I ragazzi provano con una certa quantità di pongo. Se il pongo ha la forma di una palla va sempre a fondo, anche se lo si appoggia con estrema delicatezza sull’acqua. Ma lavorando il pongo per dargli una forma diversa si può farlo galleggiare. Certe volte il pongo galleggia perché "ha l’aria dentro"; "perché gli abbiamo levato il pongo dentro"; "perché ha i bordi alti"

Ma se si appoggia una barchetta di metallo sull’acqua la prima strada sembra fallire: il ferro ha un peso specifico maggiore di quello dell’acqua e quindi dovrebbe affondare. Ed in effetti è così.

Il punto è: che cos’è che sta galleggiando? Un oggetto di ferro? Oppure un oggetto di aria e ferro?

http://www5.indire.it:8080/set/capire_per_modelli/forze/intrecci/intreccio6/attivita5/attivita5.htm#link3

http://www5.indire.it:8080/set/capire_per_modelli/forze/intrecci/intreccio6/attivita5/attivita5.htm#link4



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Riflettendo poi sull'esperienza del salvagente saranno guidati a circondare gli oggetti con "cuscini" gonfi d'aria, o a metterli direttamente all'interno di palloncini gonfiati, o sacchetti pieni d'aria, a tenuta ermetica. Inserendo direttamente l'oggetto (qualche biglia, per esempio) all'interno di un palloncino, con una cannuccia che esce dall'imboccatura chiusa con un elastico, si potrà dosare la quantità d'aria da inserire, e scoprire quando il palloncino inizierà la sua risalita.

Ancora meglio: dal punto di vista dell’acqua, cosa sta succedendo?

Sta succedendo che qualcosa entra nell’acqua e la costringe a spostarsi. Ma questo qualcosa che sposta l’acqua non è solo il ferro della barchetta! Il ferro della barchetta, da solo, sposta poca acqua: al massimo quella che si sposta quando è tutta immersa nell’acqua. In questo caso tutto il ferro della barchetta "sostituisce" un po’ d’acqua. Ma questo non è sufficiente a tenerla a galla.

Dunque il problema sperimentale potrebbe essere risolto così: diciamo che un oggetto galleggia solo quando, una volta immerso completamente nell’acqua, ritorna a galla. Così si eliminano in blocco tutti gli oggetti concavi costruiti con un materiale che ha un peso specifico maggiore di quello dell’acqua: ferro, vetro, pongo, gomma, ecc.

QUESTIONI DI VOLUME E PESO Esperimento 17: CHE VOLUME HA?

Poiché il volume è quella proprietà che misura la porzione di spazio occupato da un corpo è possibile stabilire il volume di oggetti, che hanno una forma irregolare, ricorrendo alla misura del liquido che l’oggetto sposta immergendolo in un recipiente. Prendiamo il vaso del “troppo pieno”: questo particolare recipiente ha un’apertura che consente la fuoriuscita del liquido una volta superato il limite. Per misurare il volume di un oggetto basta quindi riempire il vaso d’acqua fino al limite, immergere l’oggetto e misurare con un cilindro graduato in ml il volume d’acqua fuoriuscito.

http://www5.indire.it:8080/set/capire_per_modelli/forze/intrecci/intreccio6/attivita5/F_I4_GALL2_ASPETTICOGNITIVI.htm#link1



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La misura ottenuta è il volume dell’oggetto in questione. E’ opportuno precisare che questo è solo uno dei modi utilizzati per determinare il volume. Chiarire che 1 ml è la millesima parte del litro, unità di misura nel Sistema Internazionale e che utilizzeremo il ml come unità di misura del volume nei nostri calcoli.

Esperimento 17: DETERMINIAMO IL VOLUME DI UN CORPO DI FORMA QUALSIASI Per determinare il volume di un corpo di forma qualsiasi lo s’immerge in un cilindro graduato e si vede di quanto si alza il livello dell'acqua. Il volume dell'oggetto è dato dalla differenza tra il volume segnato dal pelo dell’acqua quando il corpo è immerso e il volume iniziale dell'acqua. Esperienza 18: VALUTIAMO LA SENSIBILITÀ DI UN CILINDRO GRADUATO Abbiamo osservato alcuni cilindri graduati per individuare quanto vale una tacca: il cilindro da 50 ml è diviso in 5 parti, pari a 10 ml ciascuna, e ognuna di esse è suddivisa in altre 10 parti uguali.

Valore di una tacca = 10 ml : 10 = 1 ml =1cm

Il cilindro più grande da 100 ml è suddiviso in 10 parti, ognuna delle quali è suddivisa in altre 10 parti uguali. Anche in questo cilindro la tacca vale 1 ml. Sul cilindro è riportata la scritta 20°C : questo significa i valori letti sono validi per temperature prossime a 20° C, perché il volume dei liquidi, come anche quello dei solidi e dei gas, cambia con la temperatura.

Esperienza 19: VOLUME DI UN TEMPERINO DI METALLO Materiale

Cilindro graduato da 100 ml, acqua, temperino di metallo. Svolgimento Per misurare il volume di un corpo dalla forma irregolare usare un cilindro graduato da 100 ml riempito d'acqua fino a 60 ml; vi immergiamo un temperino e osserviamo cosa succede. Osservazioni Ad esempio ci accorgiamo che l'acqua sale a 62 ml.

La differenza (2 ml = 2 cm ) rappresentava il volume del temperino.

Esperienza 20: VOLUME DI UN TAPPO DI SUGHERO Materiale: Cilindro graduato da 100 ml, acqua, tappo di sughero

Svolgimento e osservazioni Immergere in un cilindro contenente 60 ml di acqua un tappo di sughero; non affonda, l’acqua sale

ad esempio di 66 ml e ciò indica che la parte immersa ha un volume di 6 ml, pari a 6 cm .

Per misurare il volume del tappo dobbiamo farlo affondare e quindi dobbiamo attaccargli un peso di metallo. L'acqua ora sale a 75 ml:



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Volume (tappo + peso)= 75 – 60 = 15 ml = 15 cm

Quindi immergiamo il peso senza il tappo, l'acqua sale a 64 ml:

Volume del peso = 64 – 60 =4 ml = 4 cm .

Volume del tappo = 15 – 4 = 11 cm

Esperienza 21: GALLEGGIAMENTO E VOLUME, LAVORIAMO A PESO COSTANTE Materiale Oggetti possibilmente pieni di diverso volume e della stessa massa. Ad esempio un cubo di legno e una piccola pallina di metallo; un mattoncino Lego, una moneta da 1 centesimo e un sasso. Che cosa succede e perché Il galleggiamento non dipende dal solo volume: il cubo galleggia la pallina affonda. Questa esperienza può servire nella scuola primaria per superare la preconcezione che l’oggetto con maggior volume va a fondo mentre l’oggetto con minore volume galleggia, nelle scuola secondarie di primo e di secondo grado può servire ad introdurre la misura di peso e volume.

Esperienza 22: GALLEGGIAMENTO E PESO, LAVORIAMO A VOLUME COSTANTE

Materiale occorrente: una vaschetta contenente acqua, bilancia, oggetti vari: ad esempio oggetti pieni con peso diverso e con lo stesso volume come ad esempio un cubo in legno e uno di plastica, una piccola pallina di metallo e una di cera. Descrizione: Immergi gli oggetti in acqua e osserva. Osservazioni: il galleggiamento non dipende dal solo peso. Un’esperienza di questo tipo può servire nella scuola primaria per superare la preconcezione che l’oggetto con maggior peso va a fondo (il cubo galleggia la pallina affonda), nelle scuola secondarie di primo e di secondo grado può servire ad introdurre la misura di peso e volume.

QUESTIONI DI FORMA Esperienza 23: OGGETTI CONVESSI GALLEGGIANO O AFFONDANO? Materiale occorrente: una vaschetta contenente acqua per circa ¾ dell’altezza, oggetti convessi pieni dello stessa forma, ma di materiale diverso. Descrizione: Immergi gli oggetti in acqua e osserva. Osservazioni: oggetti di forma uguale ma di materiale diverso affondano o galleggiano indipendentemente dalla loro forma.

Esperienza 24: OGGETTI CONCAVI GALLEGGIANO O AFFONDANO? Materiale occorrente Si forniscono agli allievi oggetti cavi come coperchi (che possono essere riempiti) e si invitano a immergerli in acqua “vuoti” e “pieni” ed evidenziare i diversi comportamenti. Si possono utilizzare o contenitori uguali oppure bottiglie senza tappo o cubetti di plastica che si riempiono gradualmente modificando il loro comportamento. Osservazioni È possibile che i bambini notino che la parte emersa diminuisce via via che l’acqua entra e il livello dell’acqua si innalzi.



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Una seconda fase può prevedere l'utilizzo della creta Una pallina di creta affonda subito nell'acqua, ma se la si modella per formare una sorta di ciotola concava galleggia. Questo dimostra che oggetti che galleggiano si possono costruire con materiali che affondano.

Esperimento 25: OGGETTI UN PO’ PARTICOLARI Materiale utilizzato Una vaschetta in plexiglas, un coperchio, un po’ di plastilina. Procedimento:

a) Prendere il pezzo di plastilina modellato a forma di pallina e posarlo dentro il recipiente con dentro l’acqua.

b) Riprendere la pallina di plastilina, modellarla a forma di barchetta e ripetere lo stesso procedimento sperimentale.

c) Da ultimo prendere il coperchio, appoggiarlo sull’acqua prima in linea orizzontale, poi verticale ed infine sotto il pelo dell’acqua.

Che cosa succede e perché La pallina di plastilina affonda, la barchetta sta a galla. Il coperchio messo sull’acqua orizzontalmente galleggia, verticalmente affonda, messo sotto il pelo dell’acqua vedrai che non torna a galla! Esso affonda perché si intrappola dell’aria tra coperchio e superficie dell’acqua, perciò è come se aumentasse il volume totale immerso nell’acqua! Cosa che non avviene per la barchetta, se la spingi appena un po’ di più in acqua lei torna su. Si intuisce che il solo peso non è determinante per il galleggiamento, ma si deve considerare contemporaneamente anche la forma dell’oggetto (il volume, per la precisione). Un concetto apparentemente intuitivo ci suggerisce che un oggetto leggero galleggia e uno pesante no, o per lo meno che galleggia più facilmente quello più leggero. Così pure può sembrare che un oggetto piccolo sia favorito rispetto a un oggetto grande. Si mostra facilmente come queste idee, basate peraltro su una qualche forma di esperienza diretta dei bambini, siano in realtà infondate. L’esperimento più interessante consiste nel mostrare che una certa quantità fissata di plastilina modellata sotto forma di pallina affonda, mentre sagomata in modo opportuno, galleggia, nonostante la quantità di materiale (e quindi il peso) sia sempre lo stesso. La barchetta, ha un volume maggiore della pallina, poiché il volume che dobbiamo considerare è quello che è immerso, quindi anche l’interno della barchetta; maggiore è il volume immerso maggiore è la spinta che questo riceve verso l’alto. Così per il coperchio, che ospita aria sotto di esso. La barchetta più larga della pallina sposta più acqua e quindi ricevono una spinta maggiore verso l’alto. Più acqua è spostata da un oggetto durante l’immersione, maggiore è la spinta che questo riceve verso l’alto. La barchetta di plastilina e il coperchio in orizzontale appoggiano sull’acqua un’ampia superficie e spostano quindi molta acqua, ricevendo una spinta verso l’alto sufficiente a



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tenerli a galla. La pallina di plastilina e il coperchio in verticale spostano poca acqua, perché il volume che si immerge è ridotto: la spinta che ricevono non basta a farli galleggiare. Si tratta di oggetti disomogenei riempiti di materiale diverso da quello di cui sono fatti. Quando il materiale di riempimento cambia natura dell’oggetto può quindi a seconda dei casi galleggiare o affondare.

IL RAPPORTO TRA MASSA E VOLUME Esperimento 26: TROVARE LA DENSITA’ Materiale utilizzato Pietre di tipo diverso tra cui alcune con massa uguale e una barretta di ferro. Procedimento Prima di iniziare chiedere ai bambini quale degli oggetti proposti ha secondo loro una densità maggiore. Molti saranno concordi nel rispondere “quello che ha una massa maggiore”. Una volta terminate le misurazioni del volume grazie al vaso del “troppo pieno”, o immergendo direttamente gli oggetti in un cilindro graduato, si inseriscono i dati in tabella ed si calcola la densità, utilizzando la formula: d=m/V Un esempio di una tabella

OGGETTO MASSA VOLUME DENSITA’ Sasso piatto 100 g 42 ml 2.38 g/ml Sasso bianco e rosa

100 g 45 ml 2.22 g/ml

Sasso bianco 180 g 76 ml 2.37 g/ml Lava vulcanica 100 g 51 ml 1.96 g/ml Sasso piccolo 70 g 23 ml 3.04 g/ml Ferro 150 g 18 ml 8.33 g/ml Ferro grande 550 g 66 ml 8.33 g/ml Dopo aver compilato la tabella, chiedere ai bambini di osservare i risultati ottenuti. Il sasso con massa minore rispetto a tutti gli altri non ha la densità più bassa. Oggetti di uguale massa non hanno uguale densità. Riflettiamo anche sui volumi. Il ferro ha una massa maggiore rispetto a tutti gli altri oggetti, così come maggiore è la densità, ma ciò non vale per il volume. la densità è una caratteristica specifica della sostanza che non dipende dalla quantità. Un piccolo pezzetto di ferro ha la stessa densità di un pezzetto di ferro più grande, perché è comunque sempre ferro. Per dare una prova empirica a queste riflessioni, misurare la densità di pezzetto più piccolo di ferro. La densità è una grandezza “derivata”, si ottiene cioè attraverso altre grandezze e non si misura direttamente. Per concludere l’esperienza sulla densità, sperimentare il comportamento tra due liquidi ad esempio due bottigliette da 500 ml, una riempita d’ olio e l’altra d’acqua. Chiedere quale pesa di più, può darsi che molti dicano che “pesano uguale”, mentre solo alcuni che “pesa di più l’acqua perché l’olio pesa meno”.



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Dopo aver eseguito questa dimostrazione sulla bilancia a due piatti, dove si vede molto bene che l’olio è più leggero, versare alcune gocce d’olio in un contenitore pieno d’acqua. Dall’osservazione si deduce che l’olio galleggia perché è più leggero dell’acqua, cioè che l’olio ha una densità minore rispetto all’acqua: per questo motivo galleggia e per questo motivo a parità di volume, come nel caso delle bottigliette, quella piena d’olio è più leggera. Terminate tutte le esperienze i bambini hanno concluso che la massa degli oggetti non dipende unicamente dalle loro dimensioni, e la densità non dipende dalla quantità.

IL PRINCIPIO DI ARCHIMEDE

CHE PRINCIPIO È QUESTO PRINCIPIO? Per completare il discorso verificare che un corpo quando viene messo in un liquido, nel nostro caso l’acqua, riceve una spinta verso l’alto detta “spinta idrostatica”. Galleggiare è una forma di relazione tra sistemi: cioè bisogna saper descrivere il fenomeno del galleggiamento correlando le variabili di chi galleggia con quelle del mezzo in cui si galleggia. Lo scopo è comprendere perché alcuni corpi galleggiano e altri no tramite semplici esperimenti. Scoprire sperimentalmente il Principio di Archimede. In particolare si vuole mostrare che:

1. il peso di un corpo diminuisce quando viene immerso in un liquido, come se ricevesse una “spinta” dal basso verso l’alto (spinta di Archimede);

2. il galleggiamento non dipende dal peso del corpo; 3. la spinta dipende dal tipo di liquido in cui il corpo è immerso e dalle dimensioni (volume) del

corpo, e non dal materiale del quale il corpo è costituito.

Scopo L’obiettivo finale è mostrare, tramite prove effettuate personalmente dai bambini, che tutti i corpi ricevono una spinta dal basso verso l’alto e che ogni corpo sposta una certa quantità del liquido. In questo modo si fa “scoprire” gradualmente al bambino quali sono le condizioni che permettono il galleggiamento. La difficoltà maggiore che incontrano i bambini nella comprensione del principio di Archimede sta nel capire la

relazione tra il peso dell'oggetto e quello dell'acqua che trasborda quando questo vi viene immerso. Una facilitazione alla ricostruzione concettuale può essere costituita dal passare attraverso numerosi esempi in cui l'oggetto da immergere è costituito da acqua: tanta ne viene aggiunta al recipiente già pieno fino all'orlo, e tanta ne trasborderà, sia come peso che come volume.

Esperimento 27: L’ACQUA SPINGE

Materiale Una bacinella trasparente, dell’acqua, una palla di gomma, un paio di forbici.



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Procedimento Immergiamo la nostra mano aperta dentro ad una bacinella piena d’acqua. Immergiamo poi uno per volta gli altri oggetti e cerchiamo di spingerli a fondo. Che cosa succede e perché Ci accorgiamo che dobbiamo fare una certa forza per spingere la mano fino a toccare il fondo della bacinella e notiamo che il livello del liquido si è alzato. La stessa cosa succede con gli altri oggetti che galleggiano. Sentiamo che l’acqua oppone una certa resistenza alla penetrazione della nostra mano. Se cerchiamo di spingere la palla verso il fondo, dobbiamo fare molta forza e quando la lasciamo andare, torna a galla con violenza. Non si fa alcuna forza invece per mandare sott’acqua oggetti che affondano. Con queste esperienze il bambino arriva a percepire la presenza della spinta dell’acqua. Si fa forza perché un oggetto con densità minore di quella dell’acqua possa occuparne lo spazio; appena si smette di fare forza, l’acqua lo spinge verso l’alto riprendendo il suo posto.

Esperimento 28: IN ACQUA I CORPI SEMBRANO PIU’ LEGGERI Materiale Un dinamometro, una mela, uno spago sottile, un contenitore profondo, acqua.

Procedimento: a. lega la mela con uno spago e appendila al dinamometro e guarda

dove arriva il dinamometro, b. riempi d’acqua il catino c. immergi la mela nell’acqua senza toglierla dal dinamometro e

osserva ora la linea del dinamometro d. lega ora il paio di forbici e ripeti l’esperimento

Che cosa succede e perché Quando la mela è nell’acqua il dinamometro segna un peso inferiore. Infatti, quando la mela entra nell’acqua ne sposta una certa quantità; l’acqua spostata cerca di riprendere il suo posto e preme sulla mela spingendola verso l’alto. Questa spinta si chiama idrostatica e corrisponde al peso di un uguale volume di acqua spostata.

Esperimento 29: IL LIVELLO DEL LIQUIDO SI ALZA Procedimento Con un pennarello tracciamo una linea sul contenitore in corrispondenza del livello dell’acqua. Immergiamo ora di nuovo la mela. Controlliamo il livello raggiunto dall’acqua e tracciamo un nuovo segno. Procediamo allo stesso modo con il paio di forbici. Che cosa succede e perché Il livello dell’acqua è salito, andando a occupare nuovo spazio poiché lo spazio che occupava in precedenza è ora riempito o dalla mela, o dal paio di forbici.



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Esperimento 30: LIMITI DI GALLEGGIAMENTO Queste esperienze mettano in evidenza come varia il livello dell’acqua al variare della parte emersa man mano che l’oggetto cavo (cubetto) si riempie. Seguirà una discussione in classe con domande guidate per far individuare ai ragazzi quali sono le grandezze variabili significative affinché un oggetto possa galleggiare o affondare; riflettendo sul fatto che separatamente le due grandezze peso e volume non portano alla spiegazione del fenomeno che gli oggetti (non cavi) di materiale diverso affondano o galleggiano indipendente dalla loro forma che un oggetto cavo può galleggiare o affondare a secondo del materiale di riempimento.

Materiale Una vaschetta in plexiglas (es. di dimensioni 40 x 20 x 25 cm 3 ), un contenitore con la base larga, oggetti diversi (graffette, biglie, sassi, ecc) Procedimento:

a. Riempi la vaschetta d’acqua e immergi il contenitore.

b. Segna sul contenitore una tacca in corrispondenza del livello dell’acqua. c. Pian piano metti un oggetto per volta dentro il contenitore e osserva se la tacca viene

superata dal livello dell’acqua. Che cosa succede e perché Più il contenitore è riempito, più s’immerge nell’acqua. Il contenitore è concavo, è vuoto. Quando è riempito di oggetti, pur mantenendo le stesse dimensioni, pesa di più, cioè ha una densità maggiore. Finché l’acqua spostata ha un peso maggiore del contenitore, quest’ultimo rimane a galla, anche se s’immerge sempre di più; quando il peso del contenitore supera quello dell’acqua spostata, il contenitore affonda. Per chiarire meglio questo punto, si fanno alcune prove con un vasetto con chiusura stagna. Dapprima si osserva che il vasetto chiuso, pieno d’aria, galleggia molto bene. Poi si riempie parzialmente il vasetto con sassolini, o sabbia, o con acqua stessa, e si osserva che continua a galleggiare ma affonda nel liquido un po’ di più rispetto a prima. Infine si osserva che il vasetto riempito completamente non galleggia più. In questo esperimento il volume del corpo immerso non cambia, ma cambia la sua densità. Si capisce così che un oggetto di un dato volume galleggia meglio se è meno denso del liquido in cui è immerso.

NAVI e SOTTOMARINI anche se costruiti con materiali molto densi, come il ferro, non affondano perché al loro interno hanno ampie zone cave piene d’aria. La loro densità è quindi inferiore a quella dell’acqua. I sottomarini sono in grado di galleggiare o immergersi, secondo le necessità, proprio modificando la loro densità: essi sono infatti dotati di serbatoi che vengono riempiti d’acqua per le immersioni e svuotati per le risalite.



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Esperimento 31: PESIAMO IL VOLUME DELL’ACQUA SPOSTATA Materiale Due contenitori inseribili uno dentro all’altro, un barattolo che immerso in acqua affonda fino al tappo, una bilancia. Per facilitare l’immersione e l’emersione del barattolo fissare attorno al tappo una corda che servirà da gancio. Procedimento Inserire i due contenitori uno dentro all’altro e quello interno riempirlo d’acqua fino all’orlo, ultimare il riempimento con un contagocce o una siringa fino a quando la tensione superficiale è massima. Mettere lentamente il barattolo con il coperchio dentro al recipiente contenente acqua. L’acqua fuoriuscirà si riverserà dentro al contenitore più esterno. Pesare l’acqua fuoriuscita e il barattolo immerso. Confrontare il peso del barattolo e il peso del il volume d’acqua spostato dal barattolo Osservazioni e considerazioni Il peso del barattolo e il peso del volume d’acqua spostata dal barattolo quando è stato immerso in acqua è lo stesso. Si verifica che la spinta idrostatica di un oggetto messo in acqua è pari al peso del volume dell’acqua spostata.

ASPETTI DISCIPLINARI E COGNITIVI L'attività di misurazione proposta e la successiva lettura comparata tra comportamento degli oggetti che galleggiano e quelli che affondano, per non essere un mero esercizio devono avere, per gli alunni, una logica significativa. E’ importante quindi che essi riconoscano le forze in gioco e gli equilibri da queste modificati: il peso dell'oggetto, che spinge verso il basso e la resistenza dell'acqua, che si contrappone ad esso.

La situazione di "parità", nel caso del galleggiamento si raggiunge quando l'oggetto rimane fermo in superficie, mentre se affonda la situazione di equilibrio si ha solo in fondo al recipiente.

Questa attività può essere inserita al termine del percorso sul galleggiamento, vista la sua complessità: richiede infatti nei bambini buone capacità di misurazione, di analisi e di sintesi.

Scuola secondaria di primo grado Si chiede agli allievi di spingere a fondo oggetti che galleggiano e osservare cosa succede e cosa sentono; utilizzare oggetti con lo stesso volume ma pesi diversi oppure oggetti fatti dello stesso materiale ma con volumi diversi, oggetti con stessa forma ma di materiali diversi. Utilizzando il dinamometro (può andare bene anche un elastico o una molla) i ragazzi possono osservare come un oggetto posto in acqua “sembra diminuire” il peso. Ripetere l’esperienza con alcool e con glicerina al posto dell’acqua. Attraverso misure di peso e volume trovare il peso in acqua di un oggetto.

Esperimento 32: MISURIAMO IL PESO IN ARIA E IN ACQUA Per i ragazzi del secondo ciclo e delle medie si può passare a prove quantitative usando un cilindro di vetro graduato e un dinamometro a molla. Sarebbe opportuno usare un dinamometro tarato in grammi, così che la massa dell’oggetto possa essere letta direttamente sulla scala graduata.



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Figura

Procedimento: Si misura il peso del cilindro e si passa poi a verificare sperimentalmente col dinamometro che il peso di un corpo diminuisce quando il corpo viene immerso in un liquido, ad esempio l’acqua. Che cosa succede? L’immersione nell’acqua provoca un alleggerimento del corpo che viene immerso. E’ come se qualcosa spingesse il corpo dal basso verso l’alto e lo sostenesse, cioè lo facesse pesare di meno. La chiameremo spinta di galleggiamento, o spinta di Archimede. Si sceglie dapprima un oggetto che affondi nell’acqua. Nell’esperimento si può notare che il peso diminuisce sempre più (la molla del dinamometro rientra sempre più nel tubicino) a mano a mano che il corpo entra nel liquido. Dal momento in cui il corpo viene a trovarsi completamente immerso il peso segnato dal dinamometro non varia più. Se si prende un oggetto che galleggia (preferibilmente un oggetto che posto in acqua affonda in parte e in parte galleggi) si nota che il peso misurato dal dinamometro diminuisce come nel caso precedente, fino a diventare nullo nel momento in cui il corpo galleggia. Perché? Viene da pensare che la spinta di Archimede ha compensato completamente il peso del corpo che quindi non affonda più. Si comincia ad intuire che un corpo galleggia se la spinta di Archimede arriva ad essere uguale al peso del corpo (misurato in aria, perché anche l’aria fa una spinta di Archimede verso l’alto).

Esperimento 33: PESO DIVERSO E UGUALE VOLUME

Obiettivo Perché in certi casi la spinta è sufficiente a fare galleggiare e in altri casi no ? In altre parole, da cosa dipende la grandezza (intensità) di questa spinta ? Procedimento: Si passa ora a mostrare che la spinta di Archimede che riceve un corpo immerso in un liquido ben definito, dipende solo dal volume del corpo che è immerso. [Attenzione, non si deve dimenticare che la spinta di Archimede dipende anche dalla densità del liquido. Più il liquido è denso, più grande è la spinta che un dato oggetto immerso riceve, ma una volta che si è scelto il liquido la spinta di galleggiamento dipende SOLO dal volume del corpo che si trova immerso.]



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L’esperimento consiste nel pesare, fuori e dentro il liquido, oggetti di peso diverso ma che hanno lo stesso volume ed inserire i risultati in tabella per procedere a successive riflessioni. Un modo molto semplice è quello di usare una provetta (possibilmente chiudibile con un tappo, del tipo di quelle che si trovano in farmacia per le analisi) nella quale si possono mettere sostanze diverse (acqua, sabbia, sale, chicchi di riso, ecc.) in modo tale che il suo peso cambi ogni volta. Quello che non cambia è il volume della provetta. Che cosa succede? e perché’? Si osserverà che, indipendentemente dalla sostanza contenuta, il peso del volume del liquido spostato è via via maggiore e che il peso della provetta immersa diminuisce sempre dello stesso numero di grammi. La spinta di Archimede dipende solo dal volume della provetta e non dipende dal suo peso. Si può cambiare provetta e prenderne una più grande e una più piccola e ripetere l’esperimento. La spinta è diversa per diverse provette (perché hanno volumi diversi), ma una volta scelta la provetta la spinta non dipende dal suo contenuto (o dal suo peso).

Esperimento 34: MISURA DELLA SPINTA DI ARCHIMEDE Materiale e procedimento Per dare una risposta quantitativa a questa domanda si può usare un cilindro di vetro graduato, riempito parzialmente con acqua. Si comincia ad immergere il corpo appeso alla molla del dinamometro (per esempio la provetta riempita di sabbia) Che cosa succede? e perché? Il livello del liquido nel cilindro graduato aumenta a mano a mano che il corpo entra nell’acqua. Una parte di spazio (il volume) che prima occupava l’acqua adesso è occupata dal corpo immerso e il livello dell’acqua nel cilindro aumenta. Si osserva inoltre che più il livello aumenta più il peso del corpo diminuisce, cioè maggiore è il volume del liquido spostato dal corpo che si immerge, maggiore è la spinta che il corpo riceve. Poiché ad ogni misura il cilindro graduato mi dice quanta acqua (volume) è stata spostata (basta guardare il livello di partenza e quello di arrivo dopo che il corpo è stato immerso) si può pesare la quantità (volume) di acqua spostata, e si trova che il peso dell’acqua spostata è uguale al peso che ha perso il corpo immergendosi. In altre parole: la spinta dal basso verso l’alto che riceve un corpo immerso in un liquido è uguale al peso della quantità di acqua che il corpo ha spostato (Principio di Archimede). A questo punto dovrebbe risultare chiaro che un oggetto galleggia in un certo liquido se riceve una spinta dal liquido sufficiente a pareggiare il suo peso, e questo avviene se il peso del liquido che sposta è uguale al peso del corpo.

Oggetto:

provetta

Peso in

aria

Peso in

acqua

Volume acqua

spostata

Peso acqua spostata=

spinta idrostatica

Perdita di peso del

corpo immerso

Piena d’acqua

Piena di sabbia

Piena di sale

Piena di riso

A questo punto sarebbe interessante mostrare che la “grandezza” della spinta di Archimede dipende anche dal liquido. Un liquido denso genera una spinta maggiore di un liquido poco denso.



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Senza bisogno di definire la densità si potrebbe dire che un liquido è più denso di un altro se una certa quantità di quel liquido (per esempio 1 litro) pesa di più della stessa quantità dell’altro. Un litro di acqua salata pesa di più di un litro di acqua dolce, quindi l’acqua salata è più densa dell’acqua dolce. Sarebbe sufficiente eseguire la prova precedente sostituendo l’acqua con una soluzione di acqua e sale (possibilmente satura). Si osserverebbe che il dinamometro segna un peso minore quando un corpo (qualunque oggetto usato precedentemente andrebbe bene) è immerso nel liquido più denso.

Esperimento 35: IL TIPO DI FLUIDO INFLUISCE SULLA SPINTA DI ARCHIMEDE? Materiale 4 provette uguali con tappo, 4 cilindri graduati, biglie o pallini da caccia Procedimento Preparare 400 ml di acqua salata molto concentrata. In ciascun cilindro versare rispettivamente 400ml di acqua, 400ml di alcol, 400ml di acqua salata, 400ml di olio. In ogni provetta mettere la stessa quantità di palline. (porre un numero tale di provette in modo da farle affondare in acqua) Osservazioni ed analisi Descrivere il comportamento del sistema provetta-aria-pallini nei 4 cilindri.

Cilindro A _________________________________________________________ Cilindro B _________________________________________________________ Cilindro C _________________________________________________________ Cilindro D _________________________________________________________ Completa la tabella

Cilindro Misura della parte emersa (cm)

Misura della parte immersa (cm)

Aumento del livello del liquido

A

B

C

D

Qual è l’elemento che determina il diverso comportamento?

Elemento Si/no Perché Cilindro

Numero dei pallini

Volume del liquido contenuto nel cilindro

Volume della provetta

Tipo di liquido

Forza peso del sistema provetta-aria-pallini



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Esperimento 35: MISURO LA DENSITÀ

I dati raccolti nell’attività precedente permettono di effettuare un’analisi del ruolo della grandezza densità dal punto di vista dei numeri e grafico. L’obiettivo è di costruire una tabella riassuntiva dalla quale risulti evidente che i materiali che affondano hanno una densità maggiore di quella dell’acqua, mentre quelli che galleggiano hanno una densità minore. Inizialmente conviene riportare i dati ottenuti per la misura della densità dell’acqua, in modo da dividere il piano in due semipiani. Se si utilizzano unità di misura uguali per i due assi, si ottiene la divisione in due semipiani uguali. I valori ottenuti per i materiali diversi dall’acqua (siano essi solidi o liquidi) possono essere riportati sia come retta che come semplici punti. Si osserverà che tutti i punti (o le rette) che rappresentano i materiali che galleggiano si trovano al di sopra della “linea dell’acqua”, mentre quelli che affondano si trovano sotto. In questo modo la grandezza discriminante il comportamento in acqua sarà evidente.

Esperimento 36: COSTRUIAMO OGGETTI COMPLESSI: prove di galleggiamento

Proviamo a costruire insieme ai bambini degli oggetti modulari utilizzando due materiali, uno che ha la caratteristica di galleggiare e l’altro di affondare. Materiale Alcuni tappi di sughero tutti uguali, alcuni chiodi tutti uguali, qualche elastico. Procedimento Trovare le relazioni tra il numero di chiodi e quello dei tappi di sughero per tenere a galla il nostro modellino.

a. Trova quanti tappi dei sughero sono necessari per tenere a galla

un chiodo Disegna e descrivi che cosa succede con un tappo,

due tappi, ecc.



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Disegno dell’oggetto Numero di tappi Galleggia Affonda

RELAZIONI TRA DUE LIQUIDI Prove di densità tra diversi liquidi Usiamo recipienti diversi: alti e stretti, larghi e bassi, piccoli o grandi. I liquidi inoltre, non devono essere miscibili fra loro e devono essere omogenei cioè non formati da miscugli di sostanze che si separino facilmente. Per esempio si possono ordinare diversi liquidi secondo il criterio del galleggiamento. Si può usare: olio e alcool, vernice e acqua, olio e acqua, vernice e acqua, olio e alcool.

Esperimento 37: LA DIFFERENTE DENSITA’ DEI LIQUIDI Materiale - un contenitore cilindrico, - la stessa quantità di miele, detersivo, acqua, olio e alcol Procedimento Versiamo con delicatezza i 5 liquidi, seguendo l’ordine: miele, detersivo per i piatti o sapone liquido, acqua, olio di semi o di oliva, alcol. Per non mischiare i liquidi, soprattutto quelli meno densi come l’alcol e l’olio, ci si può aiutare con imbuto o siringa. Cosa succede e perché I diversi liquidi si stratificano senza mescolarsi. La stessa quantità di due liquidi diversi ha un peso differente, a causa della loro diversa densità. I liquidi con una maggiore densità pesano di più e affondano, mentre quelli con una minore densità rimangono negli strati superiori.

Esperimento 38: L’ACQUA E GLI ALTRI LIQUIDI Scopo Confrontare la densità dell’acqua con quella di altri liquidi. Materiali Si scelgono tre tipi di liquidi diversi: acqua, olio e alcool di colore rosa. Occorrono tre bicchieri trasparenti per meglio visualizzare il liquido.



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Procedimento Chiedere ai bambini che cosa succederà quando mescolerò i diversi liquidi.

a. Lentamente si versa prima l’olio sopra l’acqua. b. Si dispone un altro bicchiere con un po’ d’olio e si versa dentro lentamente l’alcool. c. Infine si dispongono in uno stesso bicchiere prima acqua, poi olio e per ultimo alcool.

RISULTATI L’olio si dispone sopra l’acqua, formando due strati nettamente separati. Ciò dimostra che l’olio ha una densità più bassa dell’acqua, oltre a non essere idrosolubile. Il bicchiere contenente olio e alcool mostra un comportamento simile, con l’alcool etilico che si stratifica sopra l’olio. Evidentemente, esso ha una densità inferiore all’olio e quindi anche all’acqua. Nel bicchiere contenente i tre liquidi insieme, si nota una simpatica stratificazione di liquidi colorati. E’ importante che nel versare l’alcool non si oltrepassi lo strato di olio, perché l’alcool è molto solubile in acqua per cui i due liquidi si mescolerebbero. La situazione di equilibrio che si stabilisce tra due liquidi non dipende dalle rispettive quantità, né assolute, né relative. Anche una sola goccia d’acqua va a fondo in grandi quantità di olio o, viceversa, tutto l’olio di un bicchiere galleggia su poca acqua che ne ricopra il fondo.

Esperimento 39: IL VINO NON E’ ACQUA

Materiale 2 bicchieri di vetro uguali 1 foglietto di carta che servirà per tappare uno dei bicchieri (sarebbe meglio usare carta da lucido.) Acqua e vino Procedimento Riempi i bicchieri uno con acqua e uno con vino, fino a farli traboccare.

a. Scommetti con i tuoi amici che riuscirai a far galleggiare il vino sull'acqua. b. Appoggia il foglietto di carta sopra al bicchiere contenente il vino. c. Ora capovolgi velocemente il bicchiere di vino e sistemalo sopra a quello pieno d'acqua

(se farai tutto ciò con cura, il vino non uscirà dal bicchiere durante l'operazione: ricordi il perché?…)

d. Sfila quindi il foglietto e…voilà, il vino galleggia sull'acqua! Cosa accade e perché Il vino ha una densità un po' più bassa di quella dell'acqua. Inoltre esso non esce dal bicchiere, mentre lo capovolgi, perché la pressione verso l'alto esercitata dall'aria sul foglietto di carta è talmente grande da riuscire a sostenere il

peso della colonna di liquido.



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Esperimento 40: EFFETTO SALAMOIA

Materiale Sale fino, un bicchiere grande, un uovo, un cucchiaino, un cucchiaio, acqua. Procedimento

a. Versa dell’acqua nel bicchiere fino a riempirlo per metà e con l’aiuto del cucchiaio, immergi delicatamente l’uovo. Che cosa succede? L’uovo si posa sul fondo del bicchiere.

b. Togli l’uovo dall’acqua, versa in essa dieci cucchiaini di sale fino e mescola finché si

sciolgono: hai ottenuto la salamoia. c. Ora immergi nuovamente l’uovo.

Che cosa succede? L’uovo galleggia.

d. Togli l’uovo dall’acqua e versa molto lentamente altra acqua nel bicchiere fino a riempirlo. e. Immergi ancora l’uovo.

Che cosa succede? L’uovo rimane sospeso a metà bicchiere. Perché? L’uovo è più denso dell’acqua, quindi affonda, ma l’acqua salata è più densa di quella dolce e perciò permette all’uovo di galleggiare. Nell’ultima fase l’acqua dolce galleggia sulla salamoia perché ha una densità minore: l’uovo si ferma a metà essendo più denso dell’acqua dolce ma meno denso dell’acqua salata.

Esperimento 41: GHIACCIO E OLIO: LE “PERLE D’ACQUA”

Scopo Sia il ghiaccio sia l’olio galleggiano sull’acqua, quale dei due avrà densità maggiore? Come si comporta il ghiaccio immerso nell’olio? Materiali Un bicchiere trasparente, olio di semi o altro, ghiaccio. Procedimento: Immergere il ghiaccio nel bicchiere trasparente in precedenza riempito con l’olio a temperatura ambiente. Che cosa accade e perché Il ghiaccio galleggia sull’olio. La densità dell’olio è maggiore di quella del ghiaccio e minore di quella dell’acqua. Il ghiaccio quando fonde, assorbendo calore dall’ambiente, forma delle gocce che restano separate come “perle” e si depositano sul fondo. Attorno alle “perle” si ha una “camicia” di olio raffreddato che fa sì che le gocce una volta depositate restino indipendenti tra loro almeno fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.

Esperimento 42: ACQUA CALDA E ACQUA FREDDA Scopo: verificare l’interazione tra acqua calda/fredda Materiale e metodi Un contenitore pieno d’acqua e un barattolo di acqua molto calda colorata (es. con inchiostro). Si dispone il barattolo con l’acqua calda sul fondo del contenitore d’acqua, aprendo il tappo solo all’ultimo momento.



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Risultati e discussione Collocando il barattolo di acqua riscaldata sul fondo ed aprendo il tappo, si nota subito la risalita dell’acqua calda, che si stratifica in superficie; dopo qualche istante comincia a scendere e si mescola con il resto dell’acqua. Conclusioni L’acqua è formata da piccole particelle chiamate molecole. Il calore fa aumentare la loro velocità di movimento allontanandole una dall’altra: l’acqua diventa allora meno densa, perciò più leggera. Ecco perché l’acqua calda colorata “galleggia” su quella fredda e solo quando disperde calore scende e si mescola al resto dell’acqua, avendo ormai raggiunto la stessa temperatura. APPROFONDIMENTO

E’ possibile poi collegare a questa evidenza il fenomeno alla base dei cicli convettivi: se esiste una fonte di calore che riscalda un fluido dal basso, le masse più calde tendono a risalire verso l’alto, mentre quelle fredde scendono in basso, riscaldandosi a loro volta e quindi risalendo ancora. Tali cicli convettivi sono alla base di molti fenomeni naturali.

LA PRESSIONE Esperimento 43: CHE IMPRONTA LASCI? Attraverso due esperimenti osserviamo la relazione tra la pressione, la forza peso e la superficie sulla quale applichiamo la forza. Scopo: verificare l’interazione tra ampiezza della superficie d’appoggio e pressione Materiale e metodi Due oggetti dello stesso peso, farina, un contenitore Stendere la farina nel contenitore, appoggiare delicatamente su di essa gli oggetti su facce differenti. Osserva la profondità delle impronte lasciate dagli oggetti e descrivi ciò che vedi. Puoi raccogliere i dati in una tabella. Risultati e discussione Un oggetto avente la forma di un parallelepipedo (ad esempio una scatola di latte) appoggiato su diverse facce su una vaschetta contenente sabbia inumidita o farina (figura 1): l'impronta che lascia nella sabbia è più profonda se la faccia su cui si appoggia è più piccola.



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Figura 1

Viceversa, si possono appoggiare due oggetti uguali, ma uno molto più pesante dell'altro (es. due cilindri contenenti sabbia ) con la stessa superficie d'appoggio. La profondità delle impronte ottenute sono in relazione alla forza-peso dei due cilindri, quindi il contenitore più pesante sprofonda di più nella sabbia.

In entrambi gli esempi, la grandezza fisica rilevante è la forza applicata (F) rapportata alla superficie di appoggio (S): p = F / S

MOTO DI UN LIQUIDO IN UN RECIPIENTE Esperimento 44: SI PUO’ AUMENTARE LA FORZA DELL’ACQUA? Che cosa occorre Due bottiglie di plastica Un chiodo Nastro adesivo Acqua 1 sottovaso Procedimento:

a. Con un chiodo si pratica su entrambe le bottiglie dei fori, tutti delle stesse dimensioni, disposti in orizzontale e in verticale.

b. Coprire i fori con il nastro adesivo. c. Riempire le bottiglie d’acqua e poi togliere il nastro.

Che cosa succede? Si osserva che dalla bottiglia con i fori attorno alla base fuoriescono zampilli d’acqua tutti della stessa lunghezza, cioè di pari intensità (Principio di Pascal); dalla bottiglia con i fori in linea verticale fuoriescono zampilli di diversa intensità, sono tanto più lunghi quanto più in basso si trova il foro (legge di Stevino). Conclusioni L’acqua pesa e preme sia sulle pareti che sul fondo delle bottiglie: per questo esce dai buchi con una certa forza. Questa forza è maggiore se sul punto di uscita pesa molta acqua, cioè dove l’acqua è più profonda. La pressione dell’acqua ad una profondità maggiore risulta maggiore.



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Esperimento 45: UNA SEMPLICE FONTANA Materiale Un tubo di gomma, un imbuto, la parte in vetro di un contagocce, nastro adesivo, acqua. Procedimento:

a. Con il nastro adesivo fissa l’imbuto e il contagocce alle estremità del tubo.

b. Chiudi con il dito l’apertura del contagocce e riempi il tubo d’acqua attraverso l’imbuto.(lavora sul lavandino)

c. Abbassa l’estremità con il contagocce e togli il dito. Che cosa succede e perché Uno zampillo d’acqua esce dal contagocce: più alzi l’imbuto, più alto è lo zampillo. La pressione dell’acqua è maggiore in fondo che non in alto, proprio come prevede il teorema di Stevino; il quale sostanzialmente ci fa riflettere che i diversi strati di acqua pesano l’uno sull’altro e aumentano quindi la compressione di tutte le molecole, sempre di più via via che si scende, e quindi più è alta la colonna sovrastante Alzando l’imbuto aumenta l’altezza dello zampillo perché è maggiore lo stato d’acqua che preme verso il basso.

I FLUIDI NON NEWTONIANI Si chiama fluido non newtoniano, un fluido che segue leggi diverse rispetto ai liquidi e ai solidi che conosciamo. Facciamo riferimento all'acqua ad esempio, che si presenta nei tre stati della materia: liquido, gassoso e solido.

Esperimento 46: LIQUIDO O SOLIDO?

Materiale 10 parti di amido di mais (maizena) o fecola di patate, una parte di acqua, un cucchiaio, una ciotola. Procedimento: - Versare l’amido nella ciotola - Aggiungere l’acqua - Mescolare con pazienza - Se è liquido, aggiungere altro amido di mais Che cosa accade e perché Il fluido è pronto quando toccandolo delicatamente con le mani, vi sembra liquido e prendendone un po’ in mano con decisione diventa solido.

Quello che avete appena costruito è un esempio, non tossico e adatto ai bambini, di fluido non

newtoniano chiamato anche fluido dilatante. L'applicazione di una forza, per esempio stendendo la

superficie con un dito o capovolgendo rapidamente il contenitore in cui è posto, induce il fluido a

comportarsi come un solido più che come un liquido. Applicando forze più deboli, come il lento

inserimento di un cucchiaio nel fluido, lo manterrà nel suo stato liquido. Una persona che si muova

velocemente e che applichi una forza sufficiente con i piedi, può letteralmente camminare sopra un

tale liquido, se ne preparassimo in quantità sufficiente.

Ad esempio sono fluidi pseudoplastici alcune vernici: sono fluide finché sono applicate con il

pennello o a spruzzo ma diventano molto più viscose e "non colano" quando la sollecitazione cessa.



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Altri esempi molto comuni di fluidi non newtoniani sono rappresentati dal sangue, dall'asfalto, dal

dentifricio. Sono sostanze polimeriche materiali artificiali come la plastica, ma anche materiali

naturali come il lino o il cotone.

CREDITS

Le unità didattiche illustrate in questo documento sono il risultato di una elaborazione del

Gruppo di Progetto Scienze 3.14 che ha raccolto ed organizzato vari materiali (testi,

immagini) originali o recuperati dalla Rete e da pubblicazioni diverse:

Scuole di Rimini

Arcà, Incontrare le scienze. L’acqua, Carocci Faber

Albi degli esperimenti: L’acqua, De Agostini Ragazzi

Fare scienze in classe, a cura di Emanuele Piccioni

M.I.U.R. Indicazioni nazionali Anno Scolastico 2013/14 · proprio volume (occupa uno spazio ......

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