Corso di Preparazione di Esperienze didattiche di Fisica: Laboratorio didattico in rete
G. Rinaudo, D. Allasia e V. Montel - S.F.P. 2002-03
3. Archimede
(http://www.iapht.unito.it/fsis/fsispre.html)
Richiami e considerazioni teoriche
Le attività che proporremo faranno riferimento principalmente ai concetti di volume, di peso
e di forza e alle leggi dei fluidi. Tutti questi concetti saranno rivisti associati al fenomeno del
galleggiamento, con lo scopo principale di offrire una occasione di approfondimento e di
sperimentazione a "livello adulto" su alcuni aspetti della fisica delle forze nei fluidi.
Il galleggiamento dipende dall'equilibrio tra la forza-peso, che è diretta verso il basso, e la
spinta di Archimede, che è diretta verso l’alto: se la spinta è uguale in intensità alla forza-peso, il
corpo galleggia, se è minore, il corpo risulta comunque essere soggetto a una forza diretta verso
il basso minore della forza-peso, perché alla forza-peso si sottrae la spinta dell’acqua che è
diretta verso l’alto. Nel caso del galleggiamento, la spinta gioca quindi un ruolo simile a quello
che gioca la reazione del piano di appoggio nel caso dell'appoggio su una superficie solida;
tuttavia, a differenza di quel che avviene per la reazione del piano di appoggio, per la spinta
dell'acqua non è affatto intuitivo capire quale è il punto di applicazione. Si potrebbe pensare
ingenuamente che è nel centro della superficie più bassa dell'oggetto, cioè vicino al fondo,
invece coincide con il baricentro del liquido spostato e viene chiamato il “centro di spinta”. Un
approfondimento importante riguarderà proprio l'equilibrio di forze nei fluidi, che abitualmente
non si discute in modo diretto, dato che l'equilibrio di forze e il concetto di baricentro vengono
affrontati solo con riferimento a situazioni in cui l'appoggio è rappresentato da un piano solido e
non da un fluido.
Vediamo in dettaglio che cosa succede quando un oggetto galleggia, cioè si "appoggia" su un
fluido e non su un piano solido. Raramente il centro di spinta coincide con il baricentro
dell’oggetto. L’ideale, per un galleggiamento stabile, è che il baricentro cada sotto il centro di
spinta: un baricentro “basso” infatti è sempre indice di stabilità. Nella figura 1 ad esempio è
mostrato un galleggiante con un carico pesante sul fondo: il baricentro B cade ben al di sotto del
centro di spinta C e quindi, anche se il galleggiante viene inclinato leggermente (come nella
figura di destra), torna alla posizione iniziale perché la coppia delle due forze tende a farlo
ruotare in un senso tale da riallineare il baricentro B con il centro di spinta C.
spinta
C
spinta
B
forza peso
B
C
forza peso
Figura 1
1
Se invece il baricentro è più in alto del centro di spinta, come in figura 2, un piccolo
spostamento fa rovesciare del tutto il galleggiante.
spinta
CB
forza peso
C
B
Figura 2
I bambini e il galleggiamento
A seconda dell’età dei bambini, le cose da guardare e i percorsi cognitivi da seguire sono
diversi e partono da “molto lontano”, basandosi principalmente sulle esperienze personali del
toccare e del manipolare. Questo approccio è possibile ed anche estremamente fertile di spunti e
risultanze nei primi anni del bambino, quando cioè la curiosità e la spontaneità prevalgono.
Alla scuola materna o con il I° ciclo si potranno allora sviscerare le esperienze connesse con
le caratteristiche che rendono diversi gli oggetti che vengono immersi nell’acqua.
Successivamente, a seconda dell’interesse e della maturità degli alunni, si potranno proporre
riflessioni connesse al peso e al volume dei materiali presi in esame, sempre in riferimento alla
loro immersione nell’acqua.
Con i più grandi (II° ciclo), pur coinvolgendo situazioni per lo più già note dal gioco o dai
livelli scolari precedenti, si potrà affrontare in modo più ampio la fenomenologia del
galleggiamento, che è piuttosto complessa e ricca di possibilità di discussione e si presta ad
essere affrontata con una metodologia didattica basata sul coinvolgimento e sull’interazione
reciproca.
Per tutti, il metodo di lavoro sarà maggiormente “centrato” sulle previsioni circa il
comportamento di certi oggetti una volta immersi in acqua; dal confronto fra le previsioni e i
risultati si passerà quindi a discutere sul perché alcuni corpi affondano mentre altri galleggiano
nonché a identificare le variabili.
Alla domanda “galleggia o affonda?” alcuni ragazzi hanno risposto1:
¾ Per me è chiaro che ci sono alcuni materiali che galleggiano e altri che affondano,
come il ferro (→ variabile peso)
¾ Però…questo pezzo di legno affonda (→ variabile peso)
¾ Per forza..non vedi che ci sono piantati dentro sette chiodi? (→ variabile peso)
¾ Non c’entrano i materiali: affondano solo quelli più pesanti (→ variabile peso)
¾ Il legno galleggia perché c’è molta aria dentro…la pallina fatta di carta di alluminio
galleggia perché c’è l’aria di mezzo che la alleggerisce… (→ variabile densità)
¾ Va bene! Quello che conta è il rapporto fra peso e volume… (→ variabile densità)
1
“Lavorare con i ragazzi sul galleggiamento” - Quaderno n°6 La Fisica Nella Scuola XXIX (1996) pag.57
2
Un progetto galleggiamento
Attività sul galleggiamento destinate ai bambini della scuola materna ed elementare devono
perciò essere:
• coinvolgenti, porgendo cioè i concetti di peso e volume applicandoli a situazioni
¾ contingenti
¾ sperimentabili e
¾ di semplice attuazione individuale
• contestuali, trasformando in chiave del vissuto i saperi disciplinari che si sono scelti sul
tema.
• ludiche, per non trascurare l’approccio più consono alla fascia d’età in questione
Il percorso scelto permetterà così di:
• manipolare materiali diversi, riconoscendoli al tatto e alla vista
• denominare correttamente le proprietà dei materiali di sperimentazione
• porsi domande e formulare ipotesi
• mettere in atto opportune strategie per controllare la validità delle proprie previsioni
• documentare le proprie esperienze nei modi consoni all’età (verbalmente, con un
disegno o con un testo)
Le situazioni che più si prestano a essere interpretate in chiave di galleggiamento possono
essere2:
¾ con cosa giocate quando siete al mare?
¾ cosa vi portate nella vasca quando fate il bagno?
¾ cosa succede ai vostri giocattoli quando sono nell’acqua?
Parallelamente, le attività che si potranno proporre saranno legate a :
¾ immergere nell’acqua gli oggetti proposti
¾ osservare cosa succede
¾ descrivere in modo via via più circostanziato
¾ tentare una “generalizzazione” di comportamento
¾ tentare una “classificazione” dei diversi materiali nei termini di: peso, forma….
Immaginando di avere scelto i seguenti temi:
a) l’acqua e le cose
b) il galleggiamento
c) liquido su liquido
d) le forme dei materiali
questi permetteranno ai bambini di acquisire le seguenti competenze:
mat./I°ciclo
2
II° ciclo/media
a) - osservare
- disegnare
- osservare
- fare previsioni e ricerche
- rielaborare e commentare
b) - osservare
- riferire al sé (il gioco, le situazioni..)
- disegnare
- osservare
- ricercare (libro, video..)
- assemblare i risultati con immagini
- discutere
Logbook 1998/99 - Scuola Materna di San Giovanni –1o Circolo di Ivrea
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c) - discutere e contestualizzare
- riferire al particolare
- discutere e contestualizzare
- riferire al generale
d) - osservare
- distinguere corpi che affondano o galleggiano
- giocare con i vari oggetti
- realizzare barchette…
- disegnare
- osservare
- fare previsioni
- progettare prove di verifica
- misurare
- graficare
- discutere
Le strategie d’attacco saranno:
mat./I°ciclo
- rilevare comportamenti dei diversi oggetti
- contestualizzare
- ritornare all’esperienze vissute
II° ciclo
- proporre modalità di azione,
di pianificazione e
di uso dei risultati
e, per tutti:
- discutere in gruppo
- registrare i dialoghi e gli interventi
Obiettivi:
I° ciclo
- manipolare oggetti
- classificare
- fare previsioni
- intuire relazioni
II° ciclo
- eseguire esperimenti
- misurare
- ordinare e classificare
- raccogliere i dati in tabelle
- fare ipotesi (caute!)
- prevedere conseguenze
- progettare esperimenti
Materiali:
- parallelepipedi di legno
- monete
- sbarrette
- biglie di vetro
- palline di pongo
- ovetti kinder
- tappi metallici
- tappi di sughero (interi o “affettati”)
- palloncino
- chicchi di…
- conchiglie
- gusci di noci
- ghiande
- carta
Come usarli:
- da sole o come zavorre entro oggetti
- riempiti con una, due…monete
- come barchette
- alla cui base incollare una, due..monete
- gonfio, poco gonfio, sgonfio
- come barchette
- carta (alluminio)
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Conduzione delle attività
Materna, 1° ciclo, 2° ciclo
¾ Facciamo galleggiare o affondare le cose
¾ Distinguiamo quelle che galleggiano sempre
¾ Distinguiamo quelle che affondano sempre
¾ Poniamoci la domanda: “come mai le cose galleggiano o affondano?”
¾ Programmiamo esperimenti
o un oggetto alla volta
o un oggetto sopra l’altro
1° ciclo, 2° ciclo
¾ Facciamo intervenire:
o peso
o forma
o forza dell’acqua
o corpi che si inzuppano
o corpi pieni d’acqua
o oggetti lanciati
¾ Programmiamo esperimenti:
o con un oggetto (o più) dentro l’altro
o cambiando la forma
o cambiando modo di immergere un oggetto
2° ciclo
¾ Programmiamo misure (per separare variabili):
o volume acqua spostata (cilindro graduato)
o peso oggetto
¾ Organizziamo tabelle/dati
e, per i più maturi:
¾ Interpretiamo i risultati (relazione fra le variabili)
¾ Formuliamo la legge che regola il fenomeno
Le attività
Proponiamo tre attività: le prime due aiutano soprattutto a riflettere, a livello adulto, sulle
grandezze in gioco (peso e volume) ma possono essere adattate facilmente a livello di scuola
primaria, la terza invece affronta il tema dell’equilibrio di un corpo immerso:
- le forze nell’acqua: si misura la forza-peso di un "pesce" di pongo in aria e in acqua usando
un dinamometro tarato e si determina la spinta di Archimede dalla differenza delle due forze;
- le boe: è sempre sull’osservazione e il confronto della forza – peso di oggetti immersi in
acqua;
- le barche: costruire una barca che galleggia è abbastanza facile, ma più difficile è costruirla
in modo che galleggi stabilmente e non si rovesci al minimo spostamento del carico; l’attività
aiuta a capire come fare.
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Archimede
(scheda sintetica per il “weblog” http://labscienze.splinder.it)
Anche i bimbi della scuola materna o del I° ciclo sanno che gli oggetti si comportano in
modo “diverso” quando vengono immersi nell’acqua e le caratteristiche dei fenomeni che
succedono li interessano e li incuriosiscono. Facendo leva sulla curiosità e la spontaneità naturale
si potranno proporre le prime attività, basandosi principalmente sulle esperienze personali del
toccare e del manipolare. Successivamente, a seconda dell’interesse e della maturità degli alunni,
si potranno proporre riflessioni connesse al peso e al volume dei materiali presi in esame, sempre
in riferimento alla loro immersione nell’acqua.
Con i più grandi (II° ciclo), pur coinvolgendo situazioni per lo più già note dal gioco o dai
livelli scolari precedenti, si potrà affrontare in modo più ampio la fenomenologia del
galleggiamento, che è piuttosto complessa e ricca di possibilità di discussione e si presta ad
essere affrontata con una metodologia didattica basata sul coinvolgimento e sull’interazione
reciproca. Lo scopo principale deve essere sempre di offrire stimoli per svolgere attività
sostanzialmente di gioco o di gara, abituando i bambini a osservare, misurare e scoprire relazioni
fra diverse grandezze fisiche.
Proponiamo due attività che aiutano soprattutto a riflettere, a livello adulto, alle grandezze in
gioco (peso e volume) ma che possono essere adattate facilmente a livello di scuola primaria:
- le forze nell’acqua: si misura la forza-peso di un "pesce" di pongo in aria e in acqua usando
un dinamometro tarato e si determina la spinta di Archimede dalla differenza delle due forze;
- le boe: è sempre sull’osservazione e il confronto della forza – peso di oggetti in aria e
immersi in acqua.
Una descrizione più completa e suggerimenti di altre attività si trovano sul sito dell’università
http://www.iapht.unito.it/fsis/fsispre.html.
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