Corso Insegnare Scienze Sperimentali:
Forze e movimento
Sesto incontro:forze e moti
Tutor: Alberto Panzarasa, Paola Tacconi
Movimenti, ingranaggi e trasmissione del moto
Le forze fanno muovere gli oggetti ma un oggetto che si muove può
trasmettere il suo moto ad un altro? Con quanta forza? Perché i
pedali della bicicletta non muovono direttamente la ruota? Se la
forza del remo spinge indietro l’acqua, quale forza fa avanzare la
barca? Scopriremo coi prossimi esperimenti come il moto si
trasmette da un oggetto ad un altro attraverso gli urti o tramite
ingranaggi. Nelle macchine, sia grandi come le automobili sia
piccole come gli orologi servono degli ingranaggi per funzionare.
Spesso gli ingranaggi sono di metallo perché possano durare più a
lungo. All’interno di un orologio a polso gli ingranaggi sono molto
piccoli ma fanno girare le lancette dell’orologio alla velocità giusta. Il
tic tac dell’orologio è dovuto al rumore degli ingranaggi che si
muovono. Gli ingranaggi spesso hanno l’aspetto di una ruota
dentata che si incastrano nei denti di un’altra ruota, così che
quando una ruota gira mette in movimento la ruota vicina. Gli
ingranaggi pertanto servono a trasferire energia e movimento da
una parte all’altra di una macchina.
Esperimento 1: I rulli
Un modo per spostare le cose
consiste nel trascinarle. Ciò può
rivelarsi difficile poiché facendo
strisciare un oggetto per terra si
produce attrito. Mettendo dell’olio
su un pavimento diminuirebbe
l’attrito ma questo non è sempre
possibile. Gli oggetti possono
essere spostati più facilmente
appoggiandoli su rulli, come
manici di scopa o matite. La
scatola invece di strisciare con
difficoltà sul pavimento, scorre
facilmente poiché non c’è più
molto attrito. Lo sapevate che i rulli non devono essere
necessariamente circolari per scorrere bene? Rulli di altra forma
sono altrettanto validi!
Esperimento 2: la bicicletta
I pedali sono delle leve e la catena è il rullo. Le prime biciclette
(velocipedi) avevano pedali montati direttamente sulla ruota
anteriore. Per ridurre lo sforzo necessario
alla partenza la ruota doveva essere
enorme e salire e scendere era molto
difficoltoso.
Poi si scoprì che i pedali potevano essere
fissati in posizione più comoda e che, con
un sistema di rulli si poteva trasmettere il
movimento alla ruota.
In una bicicletta i pedali funzionano come
un sistema di leve vantaggioso e gli
ingranaggi vicini alle ruote rendono più agevoli le partenze.
Prova a costruire dei cingoli come quelli in figura, sono due tubi di
cartone liscio rivestiti di cartone ondulato e di una striscia dello
stesso materiale. Girando il tubo piccolo, noterai che anche il tubo
grande viene messo in movimento. Su quale delle due ruote
conviene applicare la forza disponibile per ottenere la massima
spinta di partenza? Controlla le tue conclusioni osservando
attentamente gli ingranaggi di una bicicletta.
Nella corsa con la bicicletta, quali sono le forze che permettono e
ostacolano il movimento?
Quali sono gli attriti? Attrito
volvente della ruota sul terreno,
attrito del piede sul pedale, attrito
tra il sedere e il sellino, attrito della
mano sul manubrio, resistenza
dell’aria (durante tutta la corsa il
ciclista deve fare i conti con la
resistenza dell’aria, si utilizzano
materiali
leggeri
e
forme
aerodinamiche
sia
nella
costruzione delle biciclette sia nella
forma del casco)
Esperimento 3: La bicicletta e gli attriti
La bicicletta presenta diversi tipi di attrito. Capovolgete una
bicicletta e muovete i pedali sino a far girare la ruota posteriore a
grande velocità. Quanto tempo impiega la ruota per rallentare e
fermarsi? I cuscinetti a sfera al centro della ruota strusciano tra loro
ed è l’attrito fra i cuscinetti a far rallentare la ruota. Se mettete del
grasso sui cuscinetti, l’attrito diminuirà e la ruota girerà più
agevolmente. Guardate ora la catena se ci mettete dell’olio che è
un lubrificante scorrerà meglio e consentire di pedalare con minor
sforzo.
L’attrito può anche essere molto utile: se pedalate velocemente o
fate una curva è grazie all’attrito che il pneumatico fa presa
sull’asfalto e non fa scivolare! C’è poi un caso in cui l’attrito è
essenziale: mentre andate in bicicletta dovete fermarvi
all’improvviso e i freni producono una forza molto intensa. C’è molto
attrito tra i pattini di gomma dei freni e i cerchioni di metallo delle
ruote. Provate ad indicare tutti i punti della bicicletta in cui si ha
attrito.
Esperimento 4: Le carrucole
Le carrucole sono ruote su cui
scorrono delle funi, usate nei
cantieri per sollevare carichi
pesanti. Grazie ad una specie di
carrucola potrete apparire più forti
di due amici messi insieme. Avete
bisogno di una fune lunga circa 6
metri e di due manici di scopa.
Mettete due amici uno di fronte
all’altro con un manico di scopa a
testa, legate l’estremità della fune
a un manico e fate passare la
fune intorno a entrambi i manici e
fate passare la fune intorno a
entrambi i manici per cinque volte.
Tirando
la
fune,
sarete
sicuramente in grado di far
avvicinare i due amici nonostante
tutti i loro sforzi per impedirvelo.
Esperimento 5: Le ruote dentate
Materiale: cartoncino, foglio di carta per il ricalco, una
matita, forbici, colla, due spilli, tavola di polistirolo
Come procedere:
- ricalcare separatamente sul foglio di carta le due ruote
dentate e ricalcare anche il centro e il contrassegno su uno dei
denti,
- incollare il foglio sul cartoncino e ritagliare le ruote,
- bucare il centro e fare un piccolo foro anche sui contrassegni,
- con gli spilli fissare alle ruote la tavoletta di polistirolo in modo
che ingranino l’una con l’altra e che i due contrassegni siano
vicini
- puntare la matita sul contrassegno della ruota grande e farla
girare osservando entrambi i contrassegni e stabilire quanti giri
compie la ruota piccola durante un giro completo della grande
- puntare infine la matita sulla ruota piccola e contare i giri della
grande durante un giro completo della piccola, osservare
anche il senso in cui girano le due ruote
Cosa accade? A ogni giro completo della ruota grande
corrispondono quasi due giri di quella piccola, a ogni giro della
piccola corrisponde mezzo giro della grande. Le ruote girano in
senso opposto.
Perché? Le ruote dentate costituiscono un ingranaggio, un
semplice sistema per trasmettere il movimento con velocità e forza
variabili. Quando la ruota grande aziona quella piccola la fa
muovere a maggiore velocità. Quando la ruota piccola aziona
quella grande la fa muovere a velocità minore ma con maggiore
forza. Questo tipo di trasmissione del movimento è utile perché
permette di ottenere una maggiore velocità o una maggiore energia.
Esperimento 6: La ruota idraulica
Materiale: un rocchetto, un pennarello, un cartoncino lucido, forbici,
colla, lavandino
Come procedere:
- tagliare quattro rettangoli di cartoncino larghi come il rocchetto
e lunghi il doppio
- segnare la metà sul lato lungo,
- piegare ogni rettangolo lungo la
linea
- incollare una metà sul rocchetto
- infilare nel foro centrale del
rocchetto il pennarello
- tenere
la
ruota
a
pale
orizzontalmente sotto il getto
dell’acqua.
Che cosa succede? L’acqua fa girare
la ruota
Perché? La forza di caduta dell’acqua,
dovuta alla gravità, si trasforma
nell’impatto in moto delle pale
attaccate al rocchetto cilindrico
imprimendo un movimento rotatorio.
La ruota a pale non arresta la caduta
dell’acqua perché non è rigida ma mobile, infatti può ruotare intorno
a un perno fisso.
Esperimento 7: La girandola
Materiale: Costruite una girandola con del cartoncino, due perline
di vetro e un pezzo di legno
Come procedere:
- disegnare la figura su un cartoncino
- ritagliare lungo le linee tratteggiate,
- curvare ogni paletta verso il centro senza
piegarla
- fissare la girandola al manico di legno
per mezzo di due perline in modo che
possa girare liberamente.
Cosa accade se muovete la girandola?
L’aria la spinge generando una forza che la fa
girare, provate a vedere se riuscite a far
muovere la girandola ancora più forte facendo
palette più grandi o cambiandone la forma.
Esperimento 8: Movimenti a catena (Cosa accade se un corpo
in moto urta uno fermo?)
Scopo: verificare cosa accade se un corpo in moto urta uno fermo
Materiale: righello e due monete
Come procedere:
- appoggiare un righello ad un piano liscio,
- sistemare una delle monete a contatto con una estremità del
righello,
- far scorrere sul piano una moneta in modo da colpire con forza
l’estremità opposta del righello
Che cosa accade? Quando la moneta lanciata colpisce il righello
l’altra scatta in avanti come se fosse stata colpita direttamente
Perché? La forza della moneta in moto viene trasmessa al righello
e dal righello alla moneta
Un esempio: il gioco del biliardo
Quando la stecca colpisce la pallina questa
comincia a muoversi lungo la traiettoria rettilinea
finché non urta un’altra palla. Nella collisione
l’energia della prima palla si trasmette in parte a
quella colpita che comincia a muoversi. La prima
palla in seguito all’urto cambia direzione, rallenta e
poi si ferma per attrito.
Esperimento 9: Passaggio di movimenti
Scopo: verificare cosa accade se un corpo in moto urta uno fermo
Materiale: 8 biglie, 2 libri alti, un foglio di carta
Come procedere:
- sistemare il foglio tra i due libri
e mettere nel canale che si è
creato 7 biglie in modo che
siano in fila e a contatto le une
dalle altre,
- colpire la fila con la biglia
rimasta
- provare a colpire la fila con due
biglie e poi con tre.
Cosa accade? Quando una biglia
colpisce le altre l’ultima della fila si
stacca e se due biglie colpiscono la
fila se ne staccano due e così via
Perché? L’energia del movimento della biglia lanciata contro le
altre si trasmette da una biglia ad un'altra fino ad arrivare all’ultima,
questa utilizza l’energia ricevuta per allontanarsi. Quando le biglie
sono due o più si produce un maggiore spostamento di biglie.
Esperimento 10: Motore ad acqua
Materiale: un bicchiere di plastica, due cannucce con estremità
pieghevole, un chiodo, spago, lavandino, plastilina
Come procedere:
- fare due buchi opposti nel bicchiere con il chiodo vicino alla
base e allargarli in modo che abbiano lo stesso diametro delle
cannucce,
- tagliare la parte pieghevole delle due cannucce e infilare un
pezzo in ogni buco
- fissare con la plastilina e piegare in direzioni opposte,
- praticare due piccoli fori vicino al bordo del bicchiere e infilare
due pezzi di spago per tenere sospeso il bicchiere sul
lavandino
- far scorrere l’acqua.
Cosa accade? Il bicchiere gira in senso contrario a quello di uscita
dell’acqua
Perché? Quando l’acqua esce dalle cannucce le spinge in
direzione contraria: questo è un movimento di reazione.
Un esempio: L’eolipila di Erone
Intorno al 100 dC l’ingegnere greco Erone di Alessandria inventò
l’eolipila, una macchina in grado di sfruttare il principio del moto a
reazione. In una caldaia si faceva bollire dell’acqua, il vapore
prodotto veniva convogliato in una sfera sovrastante da due tubi e
costretto a uscire attraverso due bracci piegati ad angolo retto.
Questi fissati alla sfera ne provocavano la rotazione. Questo anche
se non fu mai utilizzata in pratica perché produceva poca energia fu
il primo tentativo di turbina a vapore.
Un esempio: Il polpo “a reazione”
Il polpo ha una fessura sull’addome da cui entra acqua che viene
immagazzinata in una cavità interna. Per spostarsi in avanti il polpo
espelle violentemente l’acqua immagazzinata da un piccolo imbuto
laterale: più il getto è forte e più il movimento è rapido.
L’imbuto è orientabile per cambiare
direzione,
lo
stesso
sistema
di
spostamento è utilizzato da seppie e
calamari e con lo stesso principio
funzionano i motori degli aerei e dei razzi.
Anche l’uomo per muoversi in acqua
utilizza lo stesso principio e quando rema
spinge indietro l’acqua per poter mandare
avanti la barca. Infatti, quando a un corpo
si applica una forza si produce una forza
di reazione uguale e contraria.
Esperimento 11: Peso e movimento
Materiale: camioncino giocattolo, tavolo, un metro circa di spago,
pesi diversi, bicchiere di plastica, pennarello, forbici
Come procedere:
- bucare il bordo del bicchiere in due punti opposti
- infilare lo spago nei fori e annodarlo,
- legare l’estremità libera dello spago alla parte anteriore del
camion e appoggiarlo sul tavolo in modo da far penzolare il
vasetto oltre il bordo,
- segnare la posizione di partenza del camion,
- distribuire nel bicchiere e sul camion i pesi a disposizione (tutti
sul bicchiere, tutti sul camion, un po’ sull’uno e un po’ sull’altro)
e verificare in quale situazione il camion percorre più
velocemente il piano del tavolo
Cosa accade? La velocità del camion aumenta con l’aumentare del
peso del bicchiere e rallenta se aumenta il suo carico.
Perché? La velocità aumenta se cresce la forza che provoca il
movimento, la forza di gravità attira il bicchiere verso il basso che a
sua volta trascina il camion. Il peso riduce la velocità perché
controbilancia il peso del bicchiere.
Esperimento 12: Cambio di direzione
Materiale: automobilina, calamita
Come procedere:
- scegliere un percorso sul quale lanciare l’ automobilina e fare
alcune prove verificando che il percorso sia rettilineo e che
non incontri ostacoli
- vedere fin dove arriva l’automobilina con la spinta e a metà
percorso, lateralmente sistemare la calamita in modo che
l’automobilina passi a pochi centimetri da essa.
Cosa accade? Quando l’auto passa vicino alla calamita cambia
direzione, se la calamita è troppo vicina i due oggetti potrebbero
toccarsi e allora conviene ripetere l’esperimento allontanandoli
Perché? La calamita esercita una forza di attrazione sul veicolo e
lo costringe a modificare la direzione, senza la forza esterna l’auto
continua a muoversi lungo un percorso rettilineo finché l’attrito
esaurisce la sua spinta iniziale
Esperimento 13: Il parco giochi, le forze e il moto
In un parco giochi si possono realizzare cose molto divertenti con le
forze. Provate una altalena, muovendo le gambe avanti e indietro
potete spingere l’altalena sempre più in alto e la gravità vi attira
sempre verso il basso. Poi fate un giro sulla giostra: mentre gira
potete sentire una forza che tira il corpo e che continua a farvi
girare.
Ora provate lo scivolo: lasciatevi andare e la gravità vi tirerà giù. La
superficie dello scivolo: per farvi scivolare più facilmente dovrebbe
essere molto liscia. Cosa accadrebbe se fosse ruvida?
Appoggiate un vassoio su una pila di libri come a formare uno
scivolo e scegliete sia oggetti leggeri sia pesanti w fateli scivolare:
alcuni scivolano più velocemente di altri. Se bagnate il vassoio
scivolano più veloci? Provate anche a cambiar la pendenza del
vassoio: quale differenza produrrà nel modo di far scivolare gli
oggetti?
