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.