LA BOTTIGLIA DI ACQUA
CON LA BUSTINA DI
MAIONESE
Progetto disciplinare sui principi
dell’idrostatica e le loro applicazioni
partendo da uno strano esperimento.
Di Francesco Serafini docente di Fisica presso Liceo “Raffaello” Urbino
Obiettivi didattici e culturali:
obiettivi didattici:
- far conoscere allo studente il concetto di pressione, il principio di
Pascal, la legge di Archimede.
- far ragionare lo studente su casi reali, di tutti i giorni cercando di
risolverli utilizzando i concetti della Fisica
- far applicare allo studente i concetti teorici in situazioni pratiche
obiettivi culturali:
- far capire allo studente che la Fisica fa parte della quotidianità e
che può essere una chiave di lettura di fenomeni “strani”.
- far ragionare lo studente su situazioni reali non facilmente risolvibili
stimolando, in una età di crescita e confronto come l’adolescenza, il
confronto, la curiosità, la problematicità delle situazioni.
- dare alla Fisica una caratteristica di divertimento, curiosità e
stimolo, passando da una conoscenza mnemonica ad una
conoscenza per capire
La metodologia:
FARE Fisica sperimentale con oggetti di facile reperimento, alla
portata di tutti, che non nascondino congegni elettronici che molte
volte mascherano il fenomeno fisico.
discutere, confrontarsi, mettersi in gioco, tentare strade di
soluzione per interpretare fenomeni non banali.
ripercorrere in un secondo momento i propri passi dopo
l’introduzione di alcuni concetti di Fisica.
divertirsi incuriosendosi di fenomeni insoliti o strani.
Percorso didattico
Prima tappa:
si mostra agli studenti la bottiglia con la bustina di maionese
Come funziona?
Quando si preme la bottiglia di plastica piena
d’acqua posizionata verticalmente, la bustina che
prima galleggiava ora precipita e quando la bottiglia
viene rilasciata la bustina torna a galleggiare.
Perché avviene questo?
Cosa succede se si mette la bottiglia
orizzontalmente e si preme?
Se ribalto la bottiglia?
Prima tappa: seguito
I ragazzi di solito citano la parola pressione
Si introduce il concetto di pressione
Pressione = Forza/superficie e le unità di misura [N/m2]=[Pa]
Costruiamoci l’aggeggio infernale
si prende una bustina di maionese, si mettono
ad un capo della bustina tanti fermagli quanto
basta per farla galleggiare in posizione
verticale appena sotto il pelo dell’acqua. Si
mette la bustina così conciata dentro una
bottiglia di plastica e la si riempie, al massimo,
con acqua e poi la si chiude.
Seconda tappa:
Si illustra ai ragazzi che cosa succede sott’acqua alla pressione. Si
dimostra in modo molto semplice l’equazione della pressione
idrostatica e si fa notare come questa cambi in modo teorico con
l’altezza.
Si tira fuori un secondo aggeggio:
un misuratore di pressione fatto con un tubicino
di gomma. Immergendo una estremità del
tubicino in un contenitore d’acqua si vede che
l’acqua colorata all’interno del tubicino si sposta
verso l’estremità opposta del tubicino alzandosi.
A che pressione è sottoposta una persona sotto
10 m di acqua?
PH= dH2Ogh = 1000*9,81*10 = 98100 Pa Un
valore grande! E’ molto o poco? Se la superficie
del nostro corpo fosse un metro quadro avremo
sopra di noi un peso d’acqua di 98100 N.
Terza tappa:
Perché allora non si è schiacciati verso il fondo quando si va
sott’acqua?
E’ l’occasione per illustrare il principio di
Pascal. Si può far vedere con il misuratore
come la pressione sia sostanzialmente la
stessa orientando diversamente la superficie
del tubo immersa
Ma questo non risolve i problemi del nostro
sub, anzi, peggio di peggio adesso viene
spinto sopra sotto, a destra, a sinistra, sulla
testa, ovunque.
Ma è davvero grande la pressione a cui è
sottoposto il sub sotto i dieci metri d’acqua?
Normalmente a che pressione siamo
sottoposti quando siamo in aria?
Si introduce l’esperimento di Torricelli. Il valore
della pressione atmosferica è un valore
notevole 1,01 *105Pa.
Il nostro sub non soffre poi così tanto.
Quarta tappa:
La pressione atmosferica è sempre la stessa?
Questa cambia con l’altitudine (effetto: mi si chiudono le orecchie
quando scendo da una collina) e cambia con le condizioni
meteorologiche.
Per evidenziare sperimentalmente questo
fatto si lascia in classe sopra un armadio un
baroscopio.
Si possono far vedere
alcune “magie” causate
dalla pressione
atmosferica, come la
possibilità di non far
cader un vaso d’acqua
chiuso con un foglietto di
plastica.
Quinta tappa:
Galleggia ancora la bustina di maionese dentro la bottiglia d’acqua?
Ci occorre capire perché le cose galleggiano.
Allora il legno galleggia, il ferro no, le cose leggere galleggiano le
cose pesanti no. E perché una portaerei galleggia pur essendo
pesante e di ferro?
Facciamo un altro esperimento: prendiamo
una pallina di pongo. Galleggia? No, ma se la
facciamo a forma di scodella o di barca questa
galleggia. Ha cambiato peso? No il pongo è
sempre quello, ha cambiato materiale? No il
pongo è sempre pongo. Cosa è cambiato? La
forma. Questo è il punto di partenza per
illustrare il principio di Archimede.
Ciò spiega perché una barca di ferro pesante
galleggia, perché dentro è vuota e il volume
spostato da luogo ad una spinta di Archimede
uguale al peso della barca.
Quinta tappa: continuo
Un classico esperimento
Misuriamo la spinta di Archimede con un dinamometro, pesando un
oggetto in aria e poi immergendolo in acqua.
Interessante può essere riflettere su alcune situazioni sperimentali:
• Cosa succede alla spinta di Archimede se
immergiamo il corpo sotto 4cm di acqua?
• Cosa succede alla spinta di Archimede se il
corpo è semi immerso?
• Cosa succede se al posto di un cilindretto di
ferro utilizziamo un cilindretto di alluminio?
Last but not list, il classico dei classici cilindro
cavo dello stesso volume identico del cilindro
immerso . La spinta di Archimede viene
compensata riempiendo il cilindro cavo di acqua.
E se lo riempissi di sassolini?
Quinta tappa: continuo
Un altro esperimento
Si utilizza una specie di bilancia con da una parte sospeso un
bicchiere pieno d’acqua Se metto un pezzo di ferro dentro l’acqua del
bicchiere, senza lasciarlo cosa succede alla bilancia, da che parte si
squilibra?
Cosa succede se invece di
sospendere il bicchiere
sospendiamo il cilindro di ferro e
mettiamo all’interno il cilindro
(toccando solo l’acqua)?
Sesta tappa:
Cosa succede alla maionese dentro alla bottiglia?
Ora abbiamo tutti gli strumenti per capirlo:
All’inizio la bustina galleggia, allora il peso della
bustina è uguale alla spinta di Archimede.
Esercitando pressione sulla bottiglia la bustina
affonda quindi o il peso è aumentato (impossibile) o
la spinta di Archimede è diminuita.
Ma cosa è cambiato della Spinta di Archimede? La
densità dell’acqua? Non in modo significativo.
L’accelerazione di gravità? Non direi se siamo rimasti
sulla terra. E’ il volume spostato dalla bustina di
maionese, che a fronte dell’aumento della pressione
all’interno dell’acqua (principio di Pascal), diminuisce
facendo diminuire la spinta di Archimede. Lasciata la
bottiglia la pressione all’interno ritorna normale, la
bustina riacquista il suo volume, la sua spinta di
Archimede e la sua posizione iniziale.
Il Diavoletto di Cartesio
Storicamente questo tipo di esperimento era chiamato “Diavoletto di
Cartesio”. Nei manuali storici (es. Ganot 1858) è proposto come
gioco di osservazione.
Il modello storico era costituito da un tubo di vetro
riempito d’acqua con uno stantuffo in cima.
All’interno dell’acqua vi era una bambolina in vetro
o ceramica a volte proprio a forma di diavoletto
capace, all’aumentare della pressione di
immagazzinare acqua, entrante da un piccolo
foro, e quindi di appesantirsi e precipitare.
Altri diavoletti di Cartesio
Sono proposti altri due modelli didattici di diavoletti di Cartesio che
precipitano al cambiare della pressione immagazzinando acqua,
cambiando quindi peso.
Il secondo modello stupisce i
ragazzi perché se si preme sulla
pancia della bottiglia una pipetta
precipita, se si preme la bottiglia
sui lati la seconda pipetta sale.
Conclusione:
Il tipo di percorso presentato dà valore, anche agli occhi di ragazzini
a volte demotivati e annoiati, alla Fisica nel suo studio teorico e
sperimentale.
La serie di piccoli esperimenti fatti con materiale povero e di uso
comune porta la Fisica nel quotidiano e lo studio delle scienze ad un
livello di discussione.
Mi sono trovato a volte a chiedere ai ragazzi perché e come
succedesse un determinato fenomeno, loro rispondevano:
“ci sarà un congegno che fa questo, un altro congegno che fa
quest’altro, demandando ad uno strumento tecnico, ad una scatola
nera, ad un computer o ad un sistema elettronico il compito di capirlo
e risolverlo”.
Distruggere nei ragazzi la visione prettamente utilitaristica delle
scienze ed in particolare della Fisica è di fondamentale importanza
per rimotivare, incuriosire ed appassionare i ragazzi a vedere il
mondo come una cosa da scoprire e da capire ragionando con
mezzi teorici, pratici e sperimentali sempre migliori.