Descrizione a livello didattico per allievi di scuola elementare-media
dei fattori che influenzano la variazione di livello dell’acqua
contenuta in un recipiente quando si verifica il passaggio dallo
stato liquido a quello solido (ghiaccio) e viceversa:
Fenomeno che si verifica anche nei bacini lacustri, marini, oceanici
e che può essere interpretato utilzzando le nozioni apprese
osservando animazioni o trasformazioni sperimentalmente
eseguite in laboratorio
Nota: le unità di misura, i valori indicati sono adattati alla finalità
di semplificare la descrizione a livello elementare
Il livello del mare aumenta se il ghiaccio in esso presente fonde ?
Il livello del mare aumenta se ghiaccio continentale
(Groelandia, Antartide) viene immesso in mare ?
Il livello del mare aumenta se ghiaccio continentale(alpi,Himalaia..) fonde?
Mentre risulta semplice e verificabile con esperimenti osservare la
variazione di livello dell’acqua in un recipiente in laboratorio, è molto più
complesso il problema a livello di bacini ampi, intercomunicanti
(laghi, mari ,oceani);
bisogna stabilire il livello medio del mare; considerare la variazione
della massa d’acqua disponibile (che dipende dall’apporto derivante dai
fiumi, fusione ghiacciai continentali, precipitazioni..) e dalla rimozione
mediante evaporazione (formazione di ghiaccio marino su scala geologica
con abbassamento notevole a livello mondiale:eustatisno);
dilatazione termica delle acque in funzione di aumento di
temperatura, effetto serra..
elementi importanti da considerare sono la
salinità
(che influisce sulladensità) e può variare in funzione della formazione
di ghiaccio marino, evaporazione, immissione di acqua dolce…;
temperatura
influisce su evaporazione, precipitazioni,fusione o congelamento,
movimenti astronomici
(distanza dal sole, inclinazione raggi solari, precessione
equinoziale..), vento, correnti, mareee e altro…
Presentazione di problema
risolvibile eseguendo in laboratorio
semplici esperimenti
e cercando la soluzione numerica con
dati indicativi forniti
cercare di prevedere
e interpretare i risultati
Domande :
1:tre contenitori con base 50 cm2 contengono la stessa quantità di acqua
che raggiunge un livello di 60 cm
2:in A vengono versati 1000 grammi di acqua
in B viene introdotto ,fissato al fondo, ghiaccio 1000 grammi
in C viene introdotto ,libero di galleggiare, ghiaccio 1000 grammi
3 :conoscendo che 1000 g di acqua occupano un volume di 1000 cc
e 1000 grammi di ghiaccio occupano un volume di 1100 cc
4:calcolare il livello raggiunto in A , B, C dopo l’aggiunta di acqua o ghiaccio
5:calcolare il livello finale , dopo la fusione , in (A), B, C
60 cm
A
B
C
A
B
C
80cm
60 cm
In A il volume aggiunto / base = 1000 cc / 50 cq = 20 c :innalzamento 20 cm
In B il volume aggiunto / base = 1100 cc /50 cq ) 22 cm:innalzamento 22 cm
in C il volume aggiunto rimane immerso per 1000 cc :il livello si innalza
secondo il calcolo 1000 cc / 50 c = 20 cm
In B la fusione comporta la riduzione del volume da 1100 cc a 1000 cc
la altezza del volume scomparso = 100 cc / 50 cq = 2 cm
In C la fusione del ghiaccio immerso comporta la riduzione del volume che
viene occupato dall’acqua derivante dalla fusione del ghiaccio emerso
livello rimane costante
I livelli finali sono uguali in A ,B,C = 80 cm ( stessa massa di acqua aggiunta)
Animazione
esperimenti
e interpretazione
dei risultati
Osservazioni preliminari
La stessa massa di acqua presenta un diverso volume quando si
trova nello stato liquido o nello stato solido (ghiaccio)
Quando l’acqua si trasforma in ghiaccio il suo volume aumenta;
viceversa quando il ghiaccio si trasforma in acqua il suo volume si riduce
Praticamente (in modo solo approssimativo per semplificare):
1000 grammi di acqua occupano un volume di 1000 cc
1000 grammi di ghiaccio occupano un volume di 1100 cc
Massa costante e volume variabile
A
B
A, B con acqua allo stesso livello
A, B con due corpi con uguale volume :ferro e ghiaccio(bloccato sul
fondo perché non salga in superficie per spinta idrostatica)
Il livello sale in modo uguale in A e B
Il ghiaccio fonde :il livello in B diminuisce rispetto a quello di A
a
b1
b2
b3
a ,b recipienti con uguale quantita di acqua : uguale livello iniziale
A : corpo (1000 cc) immerso provoca innalzamento di livello
B1 : contenitore elastico impermeabile contiene acqua(1000 cc): immerso
provoca innalzamento di livello come in A
B2 :si produce formazione di ghiaccio (solo entro contenitore)
che aumenta il volume (1100 cc) e innalza il livello > A
B3:si produce fusione del ghiaccio con riduzione di volume:il livello scende
perché l’acqua sovrastante ritorna a occupare ll volume laciato disponibile
A
B
La massa d’acqua fornita è uguale
nei due contenitori anche se inizialmente
i volumi sono diversi (e quindi diverso
l’effetto sull’innalzamentodi livello):
alla fine entrambi i recipienti contengono
la stessa massa di acqua (liquida) e quindi
lo stesso volume:segue uguale
innalzamento del livello finale
A:B contengono uguale volume di acqua:stesso livello
A,verso 1000 grammi (1000 cc) di acqua:sale il livello
B:introduco ghiaccio 1000 grammi (1100 cc):sale il livello più che in A
B :fusione del ghiaccio e riduzione di volume:scende il livello
A e B con uguale livello finale
A
B
C
C : 1000 g di ghiaccio
Volume 1100 cc
1000 cc immersi
100 cc emergenti
Aumento livello C < B
Con la fusione i livelli A,B,C
Sono uguali
A:B ,C contengono uguale volume di acqua:stesso livello
A,verso 1000 grammi (1000 cc) di acqua:sale il livello
B:introduco ghiaccio 1000 grammi (1100 cc):sale il livello più che in A
B :fusione del ghiaccio e riduzione di volume:scende il livello
A e B con uguale livello finale
Principio idrostatico (Archimede)
Un corpo immerso in un liquido (acqua) riceve una spinta verticale verso
l’alto pari al peso del volume di liquido spostato
Può quindi calare al fondo, restare sospeso nel liquido, galleggiare
in funzione della densità del liquido e della propria
a
d= 1000 g/litro
b
d = 5000 g/ litro
c
d = 500 g/litro
Un corpo può galleggiare in maniera
variabile sull’acqua, se ha una
densità minore di quella dell’acqua
Tre corpi con uguale volume e diversa massa
hanno diversa densità : massa (grammi) / volume (litro)
Acqua a 1000 g / litro
Un corpo immerso in un liquido (acqua) riceve una spinta verticale verso
l’alto pari al peso del volume di liquido spostato
a
d= 1000 g/litro
b
d = 5000 g/ litro
c
d = 500 g/litro
Consideriamo due sostanze diverse b (5000 g), c (500 g)
con lo stesso volume(1 litro)
e immergiamole in recipienti contenenti acqua
Il corpo b potrebbe galleggiare se potesse spostare un volume di acqua
con peso pari al proprio: dato che l’acqua fornisce una spinta
pari a 1000 g / litro , il corpo dovrebbe spostare 5 litri di acqua
ma al massimo può spostarne 1 litro
non potendo ottenere l’effetto necessario:cala a fondo
Il corpo c può galleggiare immergendo mezzo volume (mezzo litro) per
ricevere la spinta necessaria di 500 g, fornita da mezzo litro di acqua
Una sostanza con densità > di quella dell’acqua può galleggiare
se il corpo formato con tale sostanza presenta un volume che generi
una densità < acqua
Densità sostanza = 4 g (cc
8 g / 2 cc = 4 g/cc
densità acqua = 1 g / cc
8 g / 16 cc = 0.5 g /cc
La sferetta con densità 4 g/cc cala fondo non potendo spostare un volume
di acqua che generi una spinta per sostenere 8 grammi
La sferetta cava col nuovo volume e densità 0.5 g /cc ,immerge con metà
volume (8 cc) sposta un volume di 8 cc di acqua e riveve una spinta di 8 g.
Acqua dolce :densità 1000 g / litro
acqua di mare :densità 1028 g /litro
ghiaccio : densità 900 g /litro
(valori indicativi per descrizione, si prescinde da variazioni dovute
a vari fattori; unità di misura adattate alla descrizione semplificata
Il ghiaccio avendo densità minore di quella dell’acqua, può restare
parzialmente emerso: immerge solo il volume necessario per spostare
una massa di acqua pari alla propria: emerge nell’acqua di mare più
che in quella dolce
Massa 1000 g
V = 1000 cc
d= 1000g/1000 cc= 1g /cc
V=1100 cc
d=1028 g/litro
d = 1000 g/litro
d=1000g/1100cc=0.9 g/cc
A
B
due cilindri uguali contenenti acqua allo stesso livello iniziale A,B
Versamento di acqua in uno dei due cilindri : aumento di livello A
Blocco di ghiaccio con massa uguale a quella dell’acqua versata in A
Immersione del ghiaccio in un cilindro con aumento del livello
Fusione del ghiaccio senza variazione del livello ,
uguale nei due cilindri
A
B
La parte di ghiaccio immersa , fondendo, genera acqua con un volume
diminuito: il livello dovrebbe scendere ; ma la fusione del ghiaccio
emergente genera altra acqua che aumenta il livello virtualmente
diminuito:alla fine il livello rimane costante, simile
a quello del cilindro nel quale
è stata versata la stessa quantità di acqua allo stato liquido
A
B
A : versamento di acqua (30 cc)
B : versamento di acqua (30 cc)
B : formazione di ghiaccio e aumento di volume
Si impedisce al ghiaccio di risalire
A , B : versamento acqua (20 cc)
per spinta idrostatica
B : fusione del ghiaccio e contrazione volume
B : acqua occupa volume disponibile
A, B livello finale identico nei due contenitori
A
B
A B contengono acqua (30 cc)
B : si introduce blocco di ghiaccio( 20 cc)
immobilizzato sul fondo il livello sale
B : il ghiaccio fonde, riducendo il volume occupato:18 cc
l’acqua scende e il livello diminuisce
A , B con livello finale diverso
A
B
A B contengono acqua (30 cc)
B : si introduce blocco di ghiaccio( 20 cc)
che rimane parzialmente emerso il livello sale
B : il ghiaccio fonde, riducendo il volume occupato:18 cc
la parte emersa fondendo genera acqua che occupa il volume
reso disponibile :il livello non cambia
A , B con livello finale diverso
Conclusione relativamente a fenomeno glaciale e livello del mare
Il livello può aumentare per effetto della fusione dei ghiacciai continentali
(alpini, imalaiani, montagne rocciose, ande, groelandesi, antartici…)
che immettono attraverso la via fluviale acqua di fusione in mare
Il livello può aumentare per effetto della immissione di ghiaccio continentale
(groelandese, antartico) che come corpo solido aumenta il volume
dell’acqua nella quale viene immesso
Il livello non cambia se ghiaccio di origine marina o di origine continentale
già presente in mare si trasforma in acqua liquida mediante fusione
Arrivederci !