L'ora di MAT 1 - Allegato

Oreste Brondo

L’ora di

Libro-quaderno per le vacanze

aritmetica • geometria

SCIENZE esperimenti di

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Pubblicazione gratuita allegata al testo per le vacanze “L’ora di MAT. 1”

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Introduzione Ai sensi di uno studioso di scienze fatti degni di nota ne capitano tanti, in ogni momento della giornata e in ogni luogo.

Dietro ogni semplice fenomeno, se ben osservato, è possibile scoprire i meccanismi e i perchÊ delle cose della natura.

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Essere scienziati significa accorgersi dell’importanza di minimi dettagli, che a prima vista sembrano banali, ma spesso non lo sono affatto. È a partire dall’osservazione approfondita di particolari apparentemente privi di rilevanza, infatti, che hanno avuto origine ipotesi, esperimenti e importanti teorie scientifiche. Gli esperimenti sono un tentativo di riprodurre, in laboratorio, i fatti che accadono normalmente in natura, per poterle osservare e studiare meglio.

In questo piccolo libro ti proponiamo di ripetere una serie di esperimenti, modelli dinamici e costruzioni di strumenti di misura che fanno parte della tradizione scientifica. Tuttavia, prima di dare inizio ai lavori, vogliamo mostrarti una piccola carrellata di “esperimenti naturali”, di cose cioè che accadono normalmente intorno a noi: se ben osservate e interpretate, queste cose hanno il potere di svelarci, in maniera sorprendente, i segreti della scienza, che tanto “segreti” non sono.

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Esperimenti naturali Il cucchiaio nell’acqua Ti sei mai accorto che quando introduci un cucchiaio in un bicchiere pieno d’acqua, la posata appare come se fosse spezzata in corrispondenza del confine tra l’aria e il liquido?

Osservando questo fenomeno, gli scienziati hanno capito che la luce, la quale si muove in linea retta, nel passaggio dall’aria ad un liquido trasparente, devia il suo percorso.

Effetti del ventilatore Nelle giornate estive molto calde, per provare un po’ di sollievo dall’afa, si accende il ventilatore. Ti sei mai chiesto perché l’aria messa in movimento, nonostante sia la stessa che ci fa patire il caldo, sembri più fresca?

Il motivo per cui ciò accade è che il nostro corpo produce calore, riscaldando l’aria che gli sta intorno: sulla nostra pelle, pertanto, si forma una sorta di guaina di aria calda (al calore della temperatura dell’aria si aggiunge quello prodotto dalla nostra pelle). Il ventilatore, semplicemente, rimuove questo strato di aria calda, procurandoci transitoriamente una sensazione di fresco.

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Il lampo prima del tuono È facile accorgersi che, durante i temporali, il tuono segue sempre il lampo. Ma pochi sanno che, misurando l’intervallo tra i due fenomeni, si può calcolare con molta precisione la distanza del punto in cui ha avuto luogo il fulmine.

Il suono si muove alla velocità di circa 340 metri al secondo.

La luce si muove così velocemente (300.000 chilometri al secondo) da poter considerare la sua diffusione istantanea. Se con un cronometro misuri il tempo che intercorre tra un lampo e un tuono, moltiplicando il tempo misurato per la velocità del suono, otterrai la distanza del fulmine. Devi allenarti con le moltiplicazioni e, soprattutto, avere i riflessi pronti.

Volare senza sbattere le ali Ti è mai capitato di vedere un falco o un uccello di grandi dimensioni con le ali aperte immobili, fermo in un punto del cielo?

Ancora prima dell’uomo sono stati gli uccelli a sfruttare le proprietà fisiche dell’aria calda. Nelle giornate di sole accade che il suolo o la superficie del mare si riscaldino a tal punto che l’aria che si trova a contatto con essi aumenta improvvisamente di temperatura. L’aria, quando viene riscaldata, diventa più leggera e si muove verso l’alto, come galleggiando su quella più fredda.

Gli uccelli hanno imparato a sfruttare questo movimento verso l’alto per mantenersi immobili nel cielo senza fare alcuna fatica.

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Esperimenti facili ASTRONOMIA

L’origine dell’universo Una delle prove che diedero forza alla teoria del Big Bang, secondo la quale l’universo è in continua espansione, fu trovata dall’astronomo Hubble con il suo telescopio. Egli dimostrò scientificamente che tutte le galassie presenti nell’universo si allontanano tra di loro. Ciò che Hubble scoprì può spiegarsi solamente pensando ad un universo che si dilata continuamente, come un gigantesco palloncino.

Per far comprendere ai non addetti ai lavori il modo in cui funziona l’universo in espansione, gli astronomi inventarono un piccolo esperimento-modello fatto, per l’appunto, con un palloncino.

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L’universo in un palloncino È utile sapere che...

L’universo, secondo la teoria più accreditata, si è originato in seguito alla dilatazione improvvisa di una massa densissima e caldissima di materia, precedentemente concentrata in un punto. Secondo la cosidetta “teoria standard”, la spinta originaria di questa esplosione chiamata “Big Bang” continua ad avere effetti sull’universo anche 15 miliardi di anni dopo.

Cosa serve per fare l’esperimento Un palloncino gonfiabile di colore chiaro.

Un pennarello indelebile di colore scuro.

Un righello.

Come si realizza l’esperimento Gonfia il palloncino senza legarne l’imboccatura, fino ad un quarto della sua massima grandezza. Senza far sgonfiare il palloncino, disegna sulla sua superficie dei dischetti di circa mezzo centimetro di diametro, cercando di mantenere, tra un dischetto e un altro, una distanza di circa 1cm. Misura con il righello le distanze tra i dischetti e i loro diametri e prendine nota. Non è necessario che riempi tutto il palloncino, è sufficiente una zona ristretta.

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Gonfia il palloncino fino alla sua massima possibilità. A questo punto puoi legarne l’imboccatura. Guarda cosa è successo.

Le macchie si sono allontanate tra di loro uniformemente. Prova a verificare misurando le distanze tra i vari dischetti. Misura i diametri: sono cresciuti anche quelli!

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Come interpretare l’esperimento Il palloncino è un modello dell’universo in espansione, come è concepito dalla teoria standard sull’origine (Big Bang). Secondo tale teoria, l’allontanamento delle galassie non avviene rispetto ad un centro di propagazione (cosa che accade in un’esplosione normale dove i materiali si allontanano dal punto in cui è esplosa la carica), ma con lo stesso meccanismo della dilatazione di un palloncino che viene gonfiato.

Come hai potuto vedere, durante l’esperimento, aumentavano non solo le distanze tra i dischetti, ma anche i loro diametri. Secondo una delle articolazioni della teoria standard, attualmente indagata, non sarebbe solo l’universo ad espandersi, ma anche le cose che esso contiene. Le galassie non solo si allontanano tra di loro, ma, secondo questa teoria, si dilatano esse stesse, e così anche il loro contenuto (stelle, pianeti, eventuali abitanti dei pianeti).

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GEOMETRIA Misurare angoli visivi Le immagini di due oggetti che noi vediamo lontani tra di loro formano, incontrandosi nel nostro occhio, un angolo costituito da due linee o raggi di luce, che possiamo immaginare partano dagli oggetti osservati e abbiano come vertice la pupilla del nostro occhio.

Possiamo chiamare questo angolo “angolo visivo” e può essere misurato adoperando uno strumento di facile realizzazione.

Il goniometro ottico

È utile sapere che...

In quanto osservatori del mondo, ognuno di noi è al centro di una sfera. Immagina che da ognuna delle cose che ti stanno intorno parta un raggio di luce che abbia come punto di arrivo il

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tuo occhio. Il tuo occhio diventa, cosĂŹ, il vertice di una serie inďŹ nita di angoli, tutti misurabili adoperando un goniometro ottico.

Cosa serve per costruire lo strumento Un cartoncino rigido (il retro di un album da disegno).

Un bullone con un dado a farfalla e una rondella.

Due stuzzicadenti.

Un chiodo.

Un martello.

Una matita.

Un righello di almeno 25cm.

Come si realizza e come si usa lo strumento Disegna lungo il lato piĂš piccolo del cartoncino, a partire dal bordo, due linee parallele lunghe 24cm e distanti tra di loro e dal bordo 3cm.

Ritaglia lungo le linee in modo da ottenere due strisce di cartoncino 24cm x 3cm.

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Sovrapponi i due cartoncini e bucali in uno dei due estremi, adoperando il chiodo e il martello. Allarga il buco fino a poter inserire il bullone, introduci la rondella e stringi il dado a farfalla.

Bucando gli estremi liberi dei cartoncini esattamente a metà del loro spessore (1,5cm dai lati) incastra due stuzzicadenti che fungono da mirini per traguardare gli oggetti. Lo strumento è completato.

Per usare lo strumento, sistema l’occhio nei pressi della punta del bullone, scegli due oggetti dei quali vuoi misurare la distanza angolare e sistemali sulle cime dei chiodi regolando opportunamente l’apertura dei due cartoncini.

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Le due strisce di cartone del goniometro ottico formeranno un angolo che può essere riportato su un foglio, usando la matita, e poi misurato con il goniometro da tavolo. La misura ottenuta sarà la distanza angolare dei due oggetti osservati (stelle, elementi del paesaggio) da un dato punto di vista.

Istruzioni sull’uso dello strumento La distanza angolare di due oggetti dipende dalla posizione dell’osservatore, non è pertanto una misura oggettiva. Per verificare, prova a misurare la distanza angolare tra due alberi mettendoti ad una certa distanza. Poi rifai la stessa misurazione avvicinandoti ai due alberi. Cosa succede?

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GEOLOGIA Come si formano le montagne La crosta terrestre è in continuo movimento. Gli strati sottostanti, a breve distanza dalla superficie (40 - 60km), sono ancora liquidi. Le masse continentali e la cosiddetta “terraferma” sono come isole che navigano su un mare di magma. Con tempi e velocità non percepibili dai nostri sensi, tra queste masse avvengono scontri e raggiustamenti continui, i cui effetti più evidenti sono le eruzioni, i terremoti e i bradisismi. Gli scontri o gli scivolamenti tra masse sono la causa della formazione delle montagne. Gli esperimenti-modello che vi proponiamo spiegano alcuni dei modi possibili con cui si formano le montagne.

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Faglie, scontri e scivolamenti È utile sapere che...

Le masse continentali o faglie, presenti sulla superficie della Terra, non si muovono tutte nella stessa direzione. La Sicilia, per esempio, si allontana di un paio di centimetri all’anno dall’Italia, avvicinandosi all’Africa, mentre l’Italia, dal cui scontro con il continente europeo sono nate le Alpi, continua a premere contro l’Europa.

Cosa serve per fare l’esperimento Due libri più o meno della stessa grandezza e spessore del tuo eserciziario.

Come si realizza l’esperimento Poggia i due libri su una superficie piana (un tavolo, il pavimento), nella posizione indicata dal disegno. Comincia ad avvicinarli tenendoli schiacciati sui lati opposti a quelli che si incontrano. Appena avvenuto il contatto, continua a spingere i libri uno contro l’altro.

Possono avvenire due cose:

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prima cosa possibile: i bordi dei libri si sollevano tutti e due.

Avviene un vero e proprio scontro, dove i materiali e le rocce di ognuno dei due continenti restano disposti sui due differenti versanti della catena montuosa che si è creata;

seconda cosa possibile: uno dei bordi scivola sotto l’altro. Si viene a formare ugualmente un sollevamento della crosta terrestre, ma gli strati di una faglia si sovrappongono a quelli dell’altra.

Alcune deduzioni possibili Gli scontri tra le faglie originano quasi sempre catene montuose. Le rocce si muovono verso l’alto, innalzandosi in montagne, perché la parte sottostante è occupata dal magma presente nel mantello (lo strato presente immediatamente sotto la crosta terrestre). Una fun-

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zione analoga a quella del mantello terrestre la assolve, in questo esperimento, la superficie sulla quale hai fatto scorrere i libri.

Erosione del vento Le alture che si sono prodotte in seguito ai movimenti della crosta terrestre sono state sottoposte, per milioni di anni, all’azione dell’acqua, del vento e dei cambi di temperatura. Le montagne più giovani sono quelle che ancora si ergono in tutta la loro grandezza (le Alpi, l’Himalaya, le Montagne Rocciose), quelle più vecchie si sono consumate con il tempo. Molte delle colline del paesaggio toscano erano anticamente delle montagne che sono state erose, in tempi molto lunghi, dalla pioggia e dal vento. L’esperimento che ti proponiamo adesso dà un’idea di come il vento agisca sui rilievi, modificando la loro forma e la loro altezza.

Erosione accelerata È utile sapere che...

L’origine principale dell’erosione è l’attrito. Un esempio di attrito è lo sfregamento tra due pietre, una morbida e una dura, che prima o poi finisce per consumare la superficie della pietra più morbida. Un altro esempio, di origine naturale, è lo scorrere del fiume. Lo sfregare continuo della massa di acqua sulle pareti e sul fondo trascina via dal letto del fiume grandi quantità di fango, sbriciola rocce, apre nuove strade, con un’azione costante che in tempi prolungati modifica in modo profondo il paesaggio.

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Cosa serve per fare l’esperimento Un sacchetto di sabbia.

Un ventilatore.

Come si realizza l’esperimento Costruisci con la sabbia un piccolo monticello.

Metti in funzione il ventilatore e direziona il flusso d’aria verso il monticello di sabbia.

Prova a diverse distanze, in modo da avere un flusso, più o meno forte, direzionato sulla sabbia.

La sabbia che forma il monticello lentamente si disperderà, secondo modalità analoghe all’erosione a cui sono sottoposte le alture ad opera del vento.

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Qualche altra informazione Un altro meccanismo che provoca l’erosione delle montagne e che ha un effetto per nulla secondario, rispetto a quello del vento, è dovuto al congelamento dell’acqua, la quale si insinua nelle spaccature e nelle crepe delle rocce e, congelandosi, a causa dell’abbassamento notturno della temperatura, ne provoca lo sgretolamento. La ragione per cui la sua azione è così distruttiva è che l’acqua, quando congela, aumenta di volume, motivo per cui, dentro le crepe, esercita una pressione che tende ad ampliare le spaccature e a rendere più fragile la roccia.

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IL TEMPO Modi di misurare il tempo Per misurare il tempo bisogna disporre di un evento ricorrente a ritmi costanti da adoperare come misura di riferimento. Qualcosa, appunto, come il tragitto apparente compiuto dal Sole, che si muove ritmicamente nei suoi cicli giornalieri e annuali.

Per intervalli di tempo più piccoli, però, non ci si può basare sul Sole. Per questi ordini di misura, quindi, l’uomo ha inventato sistemi differenti: dalla clessidra agli orologi ad acqua fino al pendolo, il cui meccanismo fu oggetto di studio da parte di Galileo Galilei.

In questo paragrafo ti proponiamo alcune sperimentazioni con il pendolo.

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Il pendolo È utile sapere che...

1. Se si fa rotolare un oggetto su un piano inclinato, la sua accelerazione sarà più rapida quanto più aumenterà la pendenza del piano. Minore è la pendenza, meno rapida sarà l’accelerazione.

2. La forza di gravità provoca, su un corpo in caduta, un’accelerazione costante, la quale fa sì che l’oggetto in caduta aumenti di velocità fino al momento dell’impatto con il suolo.

3. Un oggetto lanciato verso l’alto subisce anch’esso l’accelerazione dovuta alla forza di gravità, solo che essa, inizialmente, si manifesta in forma di decelerazione. L’oggetto lanciato verso l’alto, durante la sua traiettoria in salita, rallenta costantemente, fino a fermarsi, per poi ricadere verso terra, ma questa volta accelerando, come un qualsiasi oggetto in caduta.

4. Giunto alla sua posizione più elevata, un pendolo ritorna a quella più bassa accelerando, per poi risalire rallentando. Il pendolo, come tutti gli oggetti, è sottoposto alla forza di gravità.

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Cosa serve per fare l’esperimento Un rotolo di cordicella.

Una serie di dadi per bulloni di diversa grandezza.

Oggetti qualunque da legare e far pendere dalla cordicella.

Un bastone di scopa.

Un rotolo di scotch di carta.

Un metro pieghevole da muratore.

Un paio di forbici.

Come si realizza l’esperimento Fissa, con lo scotch di carta, il bastone di scopa alle spalliere di due sedie oppure a due rami, facendo in modo che tra i due supporti vi sia spazio sufficiente per far oscillare il pendolo.

Lega al centro del bastone, fissandola con dello scotch, una cordicella lunga più o meno 40cm. Lega, all’estremo della cordicella, un bullone di media grandezza. Fallo oscillare. L’oscillazione sarà ritmica e costante fino alla fine.

Prova a far partire il pendolo da altezze diverse e osserva se cambia il ritmo dell’oscillazione.

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Prova a cambiare la grandezza e il peso dell’oggetto legato alla corda, senza mutarne la lunghezza. Osserva se, cambiando il peso, cambia il ritmo dell’oscillazione.

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Fissa al bastone altre due cordicelle, una di 80cm e una di 20cm.

Lega ad ogni cordicella un bullone. Avrai tre pendoli di diversa lunghezza. Osserva se oscillano con ritmi uguali.

Prova a sincronizzare un pendolo con il ritmo dei secondi dell’orologio. Prova con pesi diversi, con diversi oggetti, diversi tipi di corda e diverse lunghezze.

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Perché il pendolo si comporta in questo modo?

1. Anche se parte da molto in alto il pendolo non cambia il suo ritmo, perché la lunghezza del percorso è compensata da un aumento maggiore della velocità. Il pendolo, cadendo da una posizione più alta, dispone di uno spazio e di un tempo maggiori per accelerare.

2. Il peso non influenza l’oscillazione, perché qualsiasi corpo, a prescindere dal peso, è sottoposto alla stessa accelerazione di gravità (fai cadere dalla stessa altezza un sasso e una pallina da pingpong e osserva quale dei due oggetti tocca terra per primo).

3. Quando aumenti la lunghezza del pendolo, l’arco di circonferenza che esso percorre è meno accentuato. La situazione è simile a quella di un piano inclinato. Nella sua oscillazione un pendolo con un filo di 1m, per scendere di un centimetro di quota, deve percorrere un arco di circonferenza molto più lungo di quanto è necessario per un pendolo di 20cm. Nel primo caso (filo lungo) è come se si facesse scivolare un corpo su un piano inclinato con una scarsa pendenza; nel secondo caso (filo corto) la pendenza è più accentuata, e il pendolo, quindi, accelera più rapidamente.

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L’ACQUA Trasportare l’acqua Sfruttando le forze della natura e per facilitarsi l’esistenza, l’uomo ha inventato numerose tecniche e strumenti. Tra questi il sifone è una delle invenzioni più semplici, ma nello stesso tempo più geniali. Esso serve a trasportare acqua da un recipiente più alto ad uno più basso, superando l’ostacolo del bordo del recipiente di partenza. In questa parte ti spiegheremo come funziona il sifone.

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Il sifone È utile sapere che...

L’aria ha un peso che grava sopra ogni cosa. Il peso di una colonna d’aria corrisponde al peso di un colonna di 10 metri di acqua.

Cosa serve per fare l’esperimento Due recipienti abbastanza capienti (barattoli, pentole o secchi).

Un tubo di gomma della lunghezza di circa un metro.

Come si realizza l’esperimento Posiziona i due recipienti ad altezze diverse, uno su un tavolo e l’altro a terra. Il recipiente più alto deve essere pieno d’acqua.

Riempi il tubo d’acqua e tenendo bloccate le due estremità, per non fare uscire il liquido, immergile nei due recipienti. Cosa succederà?

Superando il bordo, l’acqua del recipiente superiore, attraverso il tubo, si riverserà interamente nel recipiente inferiore.

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Perché accade ciò?

L’acqua dentro il tubo, posizionato tra il recipiente superiore e quello inferiore, forma una colonna che pesa verso il basso e la cui pressione tende a far scendere il liquido. Sul recipiente in alto abbiamo la pressione atmosferica che preme sulla superficie dell’acqua, nella quale è immersa la parte superiore del tubo; tale pressione impedisce al liquido contenuto nel tubo di uscire dal foro superiore, motivo per cui il liquido non può far altro che andare giù. Nel suo movimento verso il basso, l’acqua del tubo risucchia quella contenuta nel recipiente. Tale meccanismo si esaurisce solo quando il contenitore più alto si è completamente svuotato.

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IL PESO Misura di massa e di peso La Terra è l’unico pianeta dove la massa e il peso sono uguali.

La ragione sta nel fatto che l’uomo ha inventato questi due sistemi di misura e li ha sperimentati sul suo pianeta: soltanto in seguito ha scoperto che la massa rimane costante su tutti i pianeti, mentre il peso varia a seconda che ci si trovi sulla superďŹ cie di Mercurio, della Terra o di Saturno. Una normale bilancia, quindi, in un qualsiasi posto del nostro pianeta, oltre che misurare il peso degli oggetti, misura anche la loro massa.

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La bilancia ad elastico È utile sapere che...

Le bilance più antiche funzionavano in base al principio dell’equilibrio: si poneva un peso su uno dei due piatti e poi si aggiungeva, sull’altro, una certa quantità di pesi conosciuti, fino ad ottenere l’equilibrio tra i due piatti. Fatto ciò, si contavano i pesi aggiunti e si sommavano matematicamente. In tal modo si calcolava il peso dell’oggetto. La maggior parte delle bilance di uso comune, invece, sfrutta le proprietà elastiche di alcuni materiali, i quali, sottoposti ad un certo peso, si deformano. I meccanismi delle bilance funzionano in modo da trasformare queste deformazioni elastiche in misure di peso.

Noi proveremo a sperimentare i possibili usi di una bilancia di questo tipo.

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Cosa serve per fare l’esperimento Una busta di elastici.

Un barattolo.

Un bastone.

Scotch di carta.

Una cordicella.

Un chiodo.

Un paio di forbici.

Un metro pieghevole da muratore.

Oggetti vari da pesare.

Come si realizza l’esperimento Pratica due buchi, uno opposto all’altro, sul bordo superiore del barattolo. Usando il filo e fissandolo ai due buchi, costruisci una specie di manico.

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Prendi quattro o cinque elastici, aprili tagliandoli con le forbici e legali l’uno all’altro formando un unico lungo elastico. Lega l’elastico ottenuto al manico di corda del barattolino.

Fissa ad un tavolo o alla spalliera di una sedia, adoperando lo scotch, il bastone in posizione orizzontale. La distanza dal bastone a terra deve essere molto superiore alla lunghezza del sistema barattolo-elastico. Lega la parte superiore dell’elastico alla cima del bastone. La bilancia è pronta.

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Con il metro misura la lunghezza dell’elastico a barattolino vuoto. La lunghezza che misuri corrisponde a 0 grammi. Metti degli oggetti nel barattolino. Più pesanti saranno gli oggetti più si allungherà l’elastico.

La misura del peso di ogni oggetto si ottiene sottraendo alla lunghezza dell’elastico a bilancia piena la lunghezza dell’elastico a bilancia vuota. Prova, adoperando una bilancia da cucina, a osservare di quanto varia questa misura, in relazione al peso (se proporzionalmente o secondo una legge casuale).

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Altri possibili sviluppi Si potrebbe, per chi volesse approfondire la questione, fare una ricerca sui tipi di elastico piĂš adatti a costruire una bilancia, tenendo presente che strumenti analoghi, come le bilance a molla, esistono giĂ sul mercato e funzionano esattamente secondo lo stesso principio. Essi sono formati da un gancio collegato ad una molla. La molla, quando si allunga, muove una tacchetta lungo un indice graduato su cui segna i grammi e i chilogrammi.

Tarando un elastico, potresti provare ad inventare un sistema per visualizzare immediatamente i pesi, senza dover ricorrere ogni volta al metro.

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LA PRESSIONE Le differenze di pressione La pressione dell’aria all’interno di una bottiglia vuota appena tappata o di un recipiente chiuso è uguale alla pressione esterna.

Questo perché l’aria contenuta all’interno del recipiente esercita verso l’esterno una pressione uguale e contraria a quella dell’atmosfera, ma, nel momento in cui viene tolta l’aria contenuta all’interno del recipiente oppure la pressione esterna per qualche ragione aumenta, questo equilibrio viene a mancare e la pressione esterna diventa superiore a quella interna. Gli effetti di questo mutamento degli equilibri possono essere vari.

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La bottiglia vuota nel freezer È utile sapere che...

1. Le molecole che compongono l’aria sono in continuo movimento. Tale movimento, chiamato “agitazione termica”, aumenta con l’aumentare della temperatura.

2. Un gas la cui agitazione termica è molto alta tende ad espandersi; viceversa, se la sua agitazione termica è a livelli minimi, esso tende a contrarsi cioè ad occupare meno spazio.

Cosa serve per fare l’esperimento Una bottiglia di plastica vuota con il tappo a tenuta.

Un freezer di normale uso domestico.

Come si realizza l’esperimento Lascia sul fondo della bottiglia appena un dito d’acqua e, dopo aver tolto l’etichetta, chiudi la bottiglia stringendo forte il tappo, in modo tale che non vi sia nessuna possibilità di fuoriuscita o di ingresso di aria e che la pressione dell’aria all’interno della bottiglia sia uguale a quella esterna.

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Poni la bottiglia vuota nel freezer e lasciala dentro per almeno un’ora. Più tempo resterà la bottiglia nel freezer più evidenti saranno gli effetti dell’esperimento. Trascorso il tempo dovuto, prendi la bottiglia dal freezer e portala all’esterno. Quanto avverrà è che le pareti della bottiglia subiranno una deformazione verso l’interno (si schiacceranno in maniera più o meno accentuata).

Perché accade ciò?

Perché, sottoposta alle temperature del freezer, l’aria all’interno della bottiglia si è raffreddata molto rispetto a quella esterna (l’esperimento funziona ancora meglio in giornate calde)?

Quando l’aria si raffredda l’agitazione termica delle sue molecole diminuisce: avviene pertanto che il gas contenuto nella bot-

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tiglia si contrae, esercitando una pressione minore sulle pareti.

Quando l’aria contenuta nella bottiglia aveva la stessa temperatura di quella atmosferica, la pressione interna si equilibrava con quella esterna; ma quando, a causa del raffreddamento, la sua pressione interna è diminuita, prendendo il sopravvento su quella atmosferica, la bottiglia è stata schiacciata dall’aria esterna. Il dito d’acqua lasciato sul fondo della bottiglia funziona da refrigeratore e mantiene l’aria della bottiglia ad una temperatura bassa per un tempo maggiore.

Per far tornare la bottiglia alla forma originaria, basterà aprire il tappo oppure mettere un po’ al Sole la bottiglia o semplicemente lasciarla fuori dal freezer attendendo che la temperatura interna diventi uguale a quella esterna. Facendo ciò l’agitazione termica delle particelle presenti nella bottiglia si incrementa, fino a che non è raggiunto l’equilibrio delle pressioni. Se l’aria all’interno si riscalda troppo avrà luogo, però, il fenomeno inverso, e cioè la bottiglia si gonfierà (i gas riscaldati si dilatano). Prova a lasciare la bottiglia chiusa esposta al Sole per un tempo prolungato.

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I MOVIMENTI DI ARIA E ACQUA

Gli effetti prodotti dalla pressione.

Laddove nasce una differenza di pressione nasce movimento.

Un palloncino esplode quando alla sua pressione interna non si oppone una pressione esterna altrettanto forte. Un palloncino gonfiato normalmente sulla Luna scoppierebbe, perché non vi sarebbe alcuna pressione esterna a contrastare quella interna del palloncino. Quando una grande massa d’aria, per i motivi più vari (pressata da altre masse d’aria, riscaldata dal Sole), aumenta di pressione, tende a riversarsi dove la pressione è più bassa, generando movimento. È come se la natura cercasse di ristabilire continuamente degli equilibri, che subito dopo si perdono, per essere di nuovo riacquistati e poi ancora perduti, e questo continuamente.

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Aria che si dilata, aria che si comprime (esperimento su come un mutamento di stato dell’aria mette in movimento dell’acqua) Ăˆ utile sapere che...

Se si riscalda un contenitore ermeticamente chiuso e pieno d’aria, la pressione interna del contenitore aumenta; se invece il contenitore viene raffreddato, la pressione interna diminuisce.

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Cosa serve per fare l’esperimento Un barattolo di vetro grande.

Una candela.

Un portacandele.

Un tovagliolo di carta.

Un piatto di vetro.

Come si realizza l’esperimento Stendi il tovagliolo di carta sul fondo del piatto senza aprirlo, riempi di acqua il piatto fino a un dito di altezza sotto l’orlo.

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Sistema la candela nel centro del piatto e accendila.

Poggia il barattolo sopra il piatto chiudendo la candela ermeticamente. Prima di poggiare il barattolo, però, tienilo sospeso per un po’ sopra la candela, in modo che l’aria all’interno del contenitore si riscaldi il più possibile.

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Dopo un po’ di tempo la candela si spegne e, trascorsi pochi secondi, il livello dell’acqua dentro il barattolo comincia a salire, fino a superare di un dito o due il livello dell’acqua nel piatto.

Cosa è successo?

Perché accade ciò?

Quando poggiamo il barattolo vuoto sulla candela, l’aria del barattolo è già stata in parte riscaldata dalla fiamma. Nelle fasi precedenti allo spegnimento della candela, l’aria ha continuato a riscaldarsi. Come si è capito dall’esperimento precedente, l’aria, quando si riscalda, tende ad occupare più spazio e, quando si raffredda, si contrae. Nel momento in cui rinchiudiamo la candela nel barattolo, l’aria che abbiamo imprigionato è già espansa, a causa del calore della fiamma. Quando la candela si spegne, l’aria contenuta nel barattolo torna a raffreddarsi e a comprimersi. Quanto succede, allora, è che la pressione all’interno del contenitore diventa minore rispetto a quella atmosferica, e l’aria esterna, premendo sull’acqua, spinge il liquido dentro il barattolo attraverso i capillari della carta. La risalita d’acqua cessa quando l’equilibrio tra la pressione esterna e quella interna è ristabilito.

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La candela si spegne perchĂŠ l’ossigeno presente nel barattolo ďŹ nisce per consumarsi. La combustione produce anidride carbonica. Tale trasformazione chimica contribuisce, sebbene in minima parte, alla diminuzione della pressione interna del barattolo.

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L’ESPERIMENTO CHE NON C’È Gli esperimenti del futuro?

Ci sono alcuni esperimenti molto interessanti, la cui realizzazione però, con i mezzi normalmente disponibili, è decisamente impossibile. Si tratta di esperimenti che richiedono, per essere eseguiti, l’attuarsi di situazioni particolari; per fare alcuni esempi: il raggiungimento di velocità superiori ai 300.000km/ sec; l’assenza completa di atmosfera; il raggiungimento di temperature superiori a 1.000.000° con pressioni associate centinaia di volte più alte di quella atmosferica; la presenza di gas corrosivi; l’avvicinamento a masse gravitazionali molto grandi, come quella di Giove o del Sole. Si tratta, tuttavia, di esperimenti talmente interessanti e, soprattutto, così importanti per la scienza che abbiamo pensato, in queste poche pagine che ci restano, di raccontarvene almeno uno.

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Tempo che scorre a velocità diverse È utile sapere che...

La forza di gravità esercitata da un astro diminuisce via via che ci si allontana da esso.

Einstein, immaginando un esperimento che ai suoi tempi non era possibile realizzare, ipotizzò che la velocità dello scorrere del tempo fosse influenzata dall’intensità del campo gravitazionale. Con i mezzi disponibili nell’era dei viaggi spaziali è stato possibile eseguire l’esperimento. I risultati hanno dato ragione ad Einstein.

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Cosa serve per fare l’esperimento Due orologi di precisione.

Un’astronave.

Un sistema sofisticato di comunicazione radio per confrontare il tempo degli orologi.

Un computer per elaborare i dati.

Come si realizza l’esperimento Due orologi di precisione vengono perfettamente sincronizzati sulla Terra.

Uno dei due orologi viene imbarcato in una nave spaziale e mandato in orbita intorno alla Terra.

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Confrontando continuamente l’andamento dei due orologi, attraverso una comunicazione-radio gestita da computer assai sofisticati, si vedrà che l’orologio in orbita va più veloce di quello rimasto sulla superficie terrestre.

Alcune deduzioni Maggiore è il campo gravitazionale, più lentamente scorre il tempo. Questo significa che se gli uomini potessero vivere sulla Luna (gravità bassa) e su Giove (gravità alta), gli abitanti di Giove invecchierebbero più lentamente degli abitanti della Luna.

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