Corso Insegnare Scienze Sperimentali:
Forze e movimento
Ottavo incontro: energia
Tutor: Alberto Panzarasa, Paola Tacconi
Introduzione
Solleva il braccio, appoggia il dito sul tavolo, strofinalo su e giù e poi fermati. Nell’eseguire
queste azioni hai fatto tre cose: hai iniziato il movimento, hai mosso il dito e lo hai fermato.
Ogni volta che ti muovi, prima parti e poi ti fermi. Quando fai una di queste cose, hai bisogno
di un po’ di forza perché devi compiere un lavoro. In altre parole, per effettuare un movimento
hai bisogno di energia.
La forza che usi per muovere il braccio o il dito è alimentata dall’energia immagazzinata dai
tuoi muscoli. Strofinando il dito sul tavolo, incontri una certa forza di resistenza, una tendenza
delle due superfici ad aderire tra loro. E’ ciò che viene chiamato attrito e che si oppone a tutti i
movimenti che compiamo. Anche quando alzi un braccio, devi vincere un certo attrito per
spostare l’aria e far scorrere l’una sull’altra le fibre dei muscoli. A volte occorre raggiungere
rapidamente una velocità elevata. Ci vuole insomma una buona accelerazione e questo di
solito richiede molta energia. Un ghepardo che scatta per catturare una preda può
raggiungere in pochi istanti una velocità di 100 km/h, ma si stanca presto e allora deve
fermarsi.
Un arresto rapido (o decelerazione) richiede che ci si liberi velocemente dell’energia di moto
accumulata durante la corsa, il che di solito comporta la produzione di calore. I freni di un
veicolo se azionati bruscamente e con forza possono surriscaldarsi fino a prendere fuoco.
Che cosa è l’energia?
Accendere la luce, sollevare una valigia, viaggiare in autostrada, scaldare una pentola di
acqua. Sono azioni molto diverse, ma hanno tutte una cosa in comune: richiedono energia
per essere svolte. Noi consumiamo energia in ogni attimo della giornata, anche quando
sembra di essere perfettamente a riposo in realtà le cellule del corpo consumano energia.
L’energia ha moltissime forme: tutti gli oggetti in effetti sono grandi serbatoi di energia.
Abbiamo l’energia accumulata nei legami chimici che tengono insieme atomi e molecole e
che si libera per esempio quando bruciamo un pezzo di legno trasformandola in calore
(energia termica). Un oggetto in moto possiede energia cinetica, ma anche uno immobile
posto sopra di noi ha energia potenziale che si trasforma in energia cinetica quando l’oggetto
cade. La molla di un orologio è un accumulatore di energia che permette il movimento dei
meccanismi; mentre una pila immagazzina energia chimica per trasformarla in energia
elettrica.
Le molte forme dell’energia sono il riflesso del fatto che essa passa da una forma a un’altra.
Tutti i processi comportano il passaggio e la trasformazione di una quota di energia:
accendere la luce significa trasformare dell’energia elettrica in calore per rendere
incandescente il filamento della lampadina. Il motore a scoppio trasforma l’energia chimica
della benzina in energia cinetica dell’automobile. Mentre i freni convertono questa energia
cinetica in calore, così l’auto si ferma mentre i freni si scaldano. In tutti questi passaggi non si
crea né si distrugge energia, essa viene solo trasformata e la sua quantità complessiva
rimane costante.
Alcune forme di energia
Energia muscolare
Per muovere le articolazioni del corpo
Energia chimica dei combustibili oppure dei Per garantire le funzioni vitali dell’organismo
cibi
Energia cinetica
Di tutti gli oggetti che si muovono (…anche
vento e acqua)
Energia termica o calore
Fornire per tenere caldi, cedere per
congelare
Energia elastica
Per far scattare una molla
Energia elettrica
Per accendere una lampadina, per fre
funzionare il ferro da stiro
Il concetto di energia è strettamente legato a quello di lavoro, che, in fisica, descrive l’azione
di una forza su un oggetto. L’energia è la capacità di compiere lavoro. Un oggetto in moto,
per esempio un martello su un chiodo, ha la capacità di compiere un lavoro e quindi si dice
che possiede energia. Una caratteristica fondamentale dell’energia è che si può trasformare
da una forma all’altra e può essere trasferita da un corpo a un altro. Tuttavia la somma di
tutte le forme di energia rimane costante.
Per partire bisogna avere dell’energia: è quella che ci fa muovere. Può essere energia
immagazzinata, come ad esempio quella che noi ricaviamo dal cibo e le automobili dalla
benzina; oppure può essere energia cinetica o di moto, che viene comunicata da un oggetto
ad un altro, come quando si colpisce il pallone con il piede.
Il tappeto dei supersalti
L’energia che occorre per mettere in movimento qualcosa si
compone di molte parti. Per esempio quando salti su un tappeto
elastico succedono diverse cose nello stesso tempo: tutte insieme
ti forniscono l’energia necessaria per dei super-salti.
Il tappeto elastico è fatto in modo da immagazzinare energia del
tuo salto e restituirtela poi, facendoti rimbalzare più in alto. Quando
i piedi toccano il tappeto elastico, il tessuto si estende, assorbe
l’energia del corpo che cade e poi torna immediatamente nella
posizione iniziale. Intanto tu pieghi le ginocchia e alzi le braccia.
Così sia il tappeto elastico che le tue ginocchia immagazzinano
energia e la restituiscono poi in un salto spettacolare.
Un bel colpo
Dai un calcio al pallone e guarda come si deforma prima di volare
via. Una palla da tennis può raggiungere la velocità di 150 km/h
grazie alla combinazione di vari elementi: il servizio del tennista, la
tensione delle corde della racchetta, e lo schiacciamento della
pallina.
Il motore a peso
Tutti i motori trasformano l’energia immagazzinata in energia di moto. La fonte di energia può
essere l’elettricità (quella che aziona un motore elettrico) oppure il carburante (la benzina che
esplode in un motore e spinge i pistoni).
E’ facile capire i principi del movimento usando questo motore “a peso” che ci mostra come
l’energia immagazzinata si trasforma in energia di moto.
La ruota semovente: un motore a peso
Per capire come una certa quantità di energia immagazzinata (statica) si trasforma in energia
di moto (cinetica), costruisci questo semplice motore a peso.
Ritaglia due dischi di cartoncino rigido o di polistirolo. Per disegnarne il contorno usa il fondo
di un cestino. Incolla al centro dei dischi dei rocchetti di filo vuoti e uniscili infilando un
bastoncino di legno nei rocchetti. Ora hai due ruote e un asse. Lega all’asse un lungo spago
con un piattino; avvolgi tutto lo spago sull’asse facendo ruotare le ruote sul pavimento. Metti
nel piattino un peso e lascia andare la ruota: Si metterà in moto! L’energia immagazzinata dal
peso farà svolgere lo spago e si trasformerà in energia di moto. Prova la ruota su varie
superfici più o meno lisce, osservando come accelera e che velocità può raggiungere.
Immagazzinare energia
Molti oggetti si muovono perché hanno immagazzinato energia. Per noi la fonte di energia è
nel cibo che mangiamo, mentre per i veicoli a motore è nel combustibile fossile. Ma
l’esperienza di questa pagina ti dimostra che anche un semplice elastico teso e ritorto può
immagazzinare energia. Quando l’elastico incomincia a svolgersi per tornare alla posizione
iniziale, esercita una certa forza sul bastoncino di legno. In un aeromodello a elica, al post del
bastoncino c’è un’elica che, appena viene lasciata libera, comincia a girare. Nel rullo mobile
invece, la bacchetta non può ruotare perchè preme sul terreno: è il rullo che gira e fa
avanzare il tutto.
Esperimento: energia elastica e trasferimento dell’energia
Materiale: aeroplano o battello a elastico, fionda, giocattoli a molla, scatola a molla
contenente un pupazzo che salti fuori all’apertura.
Svolgimento: i giocattoli vengono azionati tendendo o attorcigliando elastici, comprimendo
molle, oppure piegando bacchette di legno o di metallo. Quando l’elastico, la molla o la
barchetta vengono lasciate libere di tornare alla condizione di riposo iniziale scaricando
l’energia fornita con l’azione di tendere o attorcigliare mettendo l’oggetto in movimento.
Osservando attentamente come sono costruiti i giocattoli e i pezzi che li compongono è
possibile riprodurre i meccanismi più semplici.
Osservazioni: L’energia meccanica necessaria per comprimere o tendere una molla viene
prima accumulata e poi, non appena la molla è libera di ritornare alle condizioni iniziali, viene
restituita sotto forma di energia meccanica che consente il lancio di un oggetto o il movimento
di un veicolo. Nell’elenco dei materiali sono riportati alcuni oggetti abbastanza comuni.
Chiedere agli allievi se tra i loro giocattoli ci siano oggetti che funzionano a energia elastica.
Dare la carica
Per far funzionare alcuni orologi o giocattoli, come i pupazzi che
camminano, i carillon, le macchinine, bisogna dar loro la carica
facendo ruotare una piccola rotella o una chiavetta collegate a una
molla interna che si attorciglia su se stessa.
In questo modo si fornisce alla molla e quindi all’oggetto un’energia
che viene utilizzata lentamente (orologio o carillon) o rapidamente
(macchinina). Il movimento degli oggetti dura finché la molla torna
alla sua forma iniziale. In altri casi le molle, anziché compresse,
vengono distese per sfruttare la loro tendenza a ritornare come
erano. In alcune pistole giocattolo, per esempio, una molla viene
tirata indietro e bloccata fino al momento in cui si preme il grilletto:
allora la molla è libera e si contrae provocando il rumore dello sparo.
Molla in discesa
Materiale: una molla, delle scale
Come procedere: appoggia la molla sul primo scalino in alto
vicino al bordo, dai un colpetto alla parte superire della molla in
modo che cada verso il basso.
Cosa accade? La molla scende per parecchi scalini senza
bisogno dell’intervento di altre forze
Perché? Scendendo il primo scalino la molla si allunga, poi si
schiaccia su se stessa per la tendenza a tornare nelle
condizioni originarie (ogni anello tira verso di sé quello
successivo). Accumula però una certa quantità di moto, che
provoca la discesa verso lo scalino successivo e così via.
Lo scatto dei muscoli
Gli esseri viventi quando vogliono compiere un movimento,
trasformano l’energia chimica immagazzinata nel proprio corpo in
energia di moto. Tuttavia una partenza rapida richiede un rapido
trasferimento di energia. Questo può avvenire solo a patto che i
muscoli siano stati prima tesi a sufficienza.
Per effettuare una partenza scattante, usiamo molti gruppi di
muscoli.
L’energia immagazzinata nei muscoli contratti serve per spingersi
sul terreno scattare. Tocca i muscoli che si rilassano e si
contraggono quando pieghi le gambe. Ce ne sono di due gruppi.
Certi servono a distendere la gamba altri a piegarla.
I muscoli immagazzinano l’energia ricavandola da sostanze
chimiche come gli zuccheri del cibo che arrivano ai muscoli con il
sangue.
Una spinta e via…
Ogni volta che vuoi partire velocemente devi darti un forte spinta
su un solido punto di appoggio, come il terreno. Allora la forza
delle gambe ti consente la partenza più rapida possibile. Osserva
le speciali scarpe e i blocchi di partenza usati dagli atleti e capirai
quali forze sono in gioco.
Scarpe per non scivolare
Alla partenza di una gara i corridori spingono con forza all’indietro con le suole delle scarpe:
ma se una spinta è troppo brusca, la sua forza può far scivolare le scarpe. Per evitare
scivoloni e sprechi di energia le scarpe d corsa hanno suole munite di profonde incisioni o
chiodi che fanno presa sul terreno.
Le scarpe studiate invece per superfici lisce e dure, come il pavimento d una palestra hanno
la suola liscia, di materiale leggermente adesivo e poche incisioni.
L’angolo giusto…
Fai delle prove con i blocchi di partenza in modo
da scoprire qual è l’angolo migliore per una
partenza rapida. Assicurati che siano saldamente
ancorati a terra. Prova a partire con i blocchi
orizzontali: come ti trovi? Sollevali un po’ e prova
uno scatto. Modifica ancora l’angolazione e trova
la migliore. Chiedi a un amico di cronometrare il
tuo scatto nei primi dieci metri. Angolazione
ideale dei blocchi varia da persona a persona.
Sai dire perché?
Rullo mobile
Per costruirlo occorre un bastoncino,
un robusto elastico a fettuccia, un
pezzo d spago, un tubo di cartone
più lungo dell’elastico, due dischi di
cartone o di polistirolo e del sapone o
una candela.
Ritaglia i dischi e fai un foro al
centro. Fai uscire dal foro di un disco
un occhiello di elastico e fissalo
infilandoci una matita. Passa un capo
dello spago nel foro dell’altro disco,
poi nel capo libero dell’elastico e
infine di nuovo nel disco. Ora tira i
due capi dello spago dall’esterno fino
a estrarre dal disco l’elastico nel
quale farai passare l’estremità del
bastoncino. L’elastico terrà stretti i
due dischi sul tubo. Un pezzo di
sapone o di candela tra il bastoncino e il disco aiuterà a vincere l’attrito.
Avvolgi l’elastico facendo girare il bastoncino poi posa a terra il rullo e lascialo andare. Fai
delle prove contando di volta in volta fatti fare dal bastoncino. Saprai così quanta forza
occorre per far muovere il rullo.
Ritorno imprevisto
Materiale: una latta cilindrica con coperchio,
spago, un chiodo grosso, un martello, due
bastoncini, un dado di ferro, un elastico
robusto
Come procedere: praticare un foro con il chiodo e il martello al centro del coperchio e della
base della latta, lega il bullone all’elastico con un pezzo di spago, fai passare l’elastico prima
nel buco alla base della latta e poi in quello del coperchio in modo che formi un occhiello
all’esterno da bloccare con un bastoncino: quando chiudi la latta l’elastico deve rimanere teso
tra il coperchio e la base, con il peso che pende liberamente, metti la scatola sul pavimento e
falla rotolare lontano da te senza spingerla troppo forte.
Cosa accade? La scatola va avanti un po’ poi rotola e torna indietro.
Perché? A causa del dado che non segue il movimento rotatorio della scatola perché è
troppo pesante, l’elastico si attorciglia e accumula energia. Esaurita la spinta iniziale, la
scatola torna indietro perchè l’elastico utilizza l’energia accumulata per riprender le sue
condizioni originarie srotolandosi.
Il lavoro e la potenza
Per sollevare l’acqua da un pozzo con una carrucola bisogna bilanciare il peso del secchio e
dell’acqua e ciò costa un po’ di fatica. Come tutti i processi, anche questo comporta uno
scambio di energia: attraverso la forza che esercitiamo sulla corda parte della nostra energia
chimica si accumula nel secchio d’acqua che, sollevandosi, guadagna energia potenziale.
L’energia trasferita è il lavoro svolto dalla nostra forza sul secchio. Si ottiene del lavoro ogni
volta che una forza viene applicata a un oggetto e si produce uno spostamento. Il lavoro è
infatti una misura dell’energia che si trasferisce. Questo lavoro può essere positivo o negativo
a seconda che la forza agisca nello stesso verso dello spostamento come quando solleviamo
un secchio, o in verso opposto, come quando il secchio viene calato lentamente.
Nel compiere un lavoro entra in gioco anche un altro fattore: possiamo sollevare il secchio in
fretta oppure tirando pian piano. Il lavoro alla fine è identico ma cambia il tempo impiegato a
svolgerlo. La rapidità con cui una forza compie un lavoro si chiama potenza e si calcola
proprio come il rapporto tra il lavoro e il tempo in cui viene svolto. Con una grande potenza si
può effettuare molto lavoro in poco tempo, anche con una potenza più piccola si può arrivare
allo stesso risultato ma occorre più tempo!
Per esempio gli enormi massi delle costruzioni più antiche venivano sollevati senza la
potenza dei motori: la forza degli uomini o degli animali bastava, ma serviva molto più tempo.
Così come serve più tempo a una piccola utilitaria per raggiungere la velocità che una
potente auto sportiva raggiunge in pochi istanti.
Il calore
Un’importante forma di energia è il calore. Esso si trasferisce da un oggetto caldo a uno
freddo per effetto della differenza di temperatura e, se i due oggetti sono posti a contatto, il
calore fluisce spontaneamente fio a che le temperature diventeranno uguali.
Appoggiando una pentola d’acqua sulla piastra di un fornello essa si scalda e dopo un po’
inizia a bollire, viceversa immergendo un ferro rovente in un secchio lo si raffredda in pochi
secondi. Come in tutti i processi si ha uno scambio di energia che si trasferisce dal corpo più
caldo a quello più freddo. Quando una certa quantità di energia passa tra due corpi a
temperatura diversa si dice che c’è un trasferimento di calore. Esso può avvenire solo dal
corpo più caldo a quello più freddo e cessa quando le temperature sono uguali.
Dunque un corpo che assorbe calore aumenta la sua energia interna e quindi la sua
temperatura, mentre uno che ne cede la diminuisce.
Non sempre però questa variazione di energia interna si traduce in una variazione di
temperatura: quando l’acqua sul fornello inizia a bollire il calore fornito non riscalda più
l’acqua ma serve a trasformarla in vapore. L’acqua assorbe calore senza aumentare la sua
temperatura che rimane fissa a 100 °C.
A parità di massa serve una quantità di calore diversa per riscaldare sostanze diverse: un kg
di ferro si scalda molto più in fretta di un kg di olio. Per esempio un kg di ferro rovente
immerso in un litro di acqua si raffredda molto di più di quanto si riscaldi l’acqua.
Gran parte dell’energia assorbita con il cibo viene dispersa dal corpo umano sotto forma di
calore.
Come si può produrre calore? Se ho freddo e le mani gelate le riscaldo strofinandole (energia
meccanica), mettendole in tasca (il nostro corpo è sorgente di calore) o soffiandovi sopra.
Posso mettere i guanti sfruttando materiali (lana o pelle) che rallentano la dispersione del
calore. Sostanze diverse hanno capacità diverse di assorbire o cedere calore. Possiamo fare
l’esperimento scaldando per un certo tempo 1 litro di acqua e 1 litro di olio per un certo
tempo, osserveremo facilmente che l’olio si riscalda molto più rapidamente dell’acqua.
Esperimento: conduttori e isolanti di calore
Materiali: un asse di legno, una sciarpa di lana, un pezzo di marmo, un pezzo di ferro, un
termometro
Come procedere:
1 mettere tutti gli oggetti per almeno un’ora in un luogo chiuso (armadio scatola,…)
avendo cura di formare cumulo con gli stessi ponendoli uno sull’altro
2 ogni alunno disegna su un foglio a quadretti una tabella di due colonne: nella prima
scrivere il nome degli oggetti
3 uno per volta gli alunni si recano a verificare la temperatura degli oggetti servendosi
del tatto e riportano le loro sensazioni nella seconda colonna accanto al nome
dell’oggetto: molto freddo 0, freddo 1, tiepido 2, caldo 3, molto caldo 4.
4 Controllare la temperatura dell’ambiente in cui sono stati posti gli oggetti con un
termometro
Osservazioni:
1 Calcolare a partire dai valori riportati la media delle temperature. Il risultato
corrisponderà a delle sensazioni oppure si può verificare quali sono le temperature
maggiormente avvertite
2 Chiedere agli alunni che cosa scalda gli oggetti caldi e cosa raffredda quelli freddi
3 Far notare che nell’armadio non ci sono fornelli né frigoriferi
Spiegazioni:
1 Tutti gli oggetti nell’armadio hanno la stessa temperatura e potrebbero avere
temperature diverse solo se ci fossero sorgenti di calore all’interno, fornelli o frigoriferi
2 Ponendo gi oggetti uno sopra l’altro, un oggetto inizialmente caldo avrebbe ceduto
calore a uno freddo fino a che le temperature fossero state uguali. Quindi a maggior
ragione gli oggetti devono essere tutti alla stessa temperatura ovvero quella misurata
dal termometro. Avendo a disposizione tanti oggetti si potrebbe misurare la
temperatura di ogni oggetto lasciando il termometro a contatto. Tutti i termometri
misurerebbero la stessa temperatura
3 La spiegazione di questo fenomeno risiede nel meccanismo della nostra percezione
della temperatura. Gli oggetti ci appaiono caldi o freddi a causa di due effetti: l loro
temperatura e la loro conducibilità termica. Se un oggetto ha temperatura maggiore
della nostra mano, un flusso di calore potrebbe passare dall’oggetto a noi. Questo
avviene rapidamente se l’oggetto è un buon conduttore di calore, se invece è isolante
la differenza di temperatura non provoca trasmissione di calore e noi non avvertiamo
la sensazione di caldo. Lo steso vale per la sensazione di freddo. Il tatto è quindi
sensibile ai flussi di calore e non alla temperatura
4 Ogni oggetto avrà la sua temperatura minore delle nostre mani e quindi la differenza
di temperatura fra l’oggetto e le nostre mani rimane invariata. Con questo esperimento
possiamo quindi verificare gli oggetti che sono buoni conduttori di calore (marmo,
ferro) e quelli isolanti (legno, lana): i conduttori permetteranno al calore della mano di
fluire verso gli oggetti (sensazione di freddo) mentre gli isolanti bloccheranno il calore
della mano facendoci avvertire una sensazione di caldo.
I motori termici
E’ difficile immaginare il mondo senza motori eppure la loro invenzione è piuttosto recente: il
brevetto per il primo motore a vapore fu depositato da James Watt nel 1769. E’ curioso che i
primi motori non servissero a mettere in moto dei meccanismi ma a pompare l’acqua dalle
gallerie delle miniere di carbone. Con la loro comparsa hanno cambiato il mondo e la vita
dell’uomo dando inizio all’era industriale. I motori termici sono motori che trasformano
l’energia termica in lavoro meccanico che si può facilmente sfruttare. Possono utilizzare fonti
di energia molto diverse: la benzina, il gasolio, il carbone, la legna, il gas o l’energia nucleare.
Il movimento viene fornito dai pistoni o turbine azionate da un fluido, per esempio il vapore o
una miscela di aria e benzina.
Ci sono due categorie di motori termici: a combustione esterna e a combustione interna. Nei
primi, il combustibile brucia al di fuori del fluido, che viene riscaldato dentro una caldaia.
Funzionano così i motori a vapore e anche i reattori nucleari nei quali si scalda dl vapore
usando un reattore atomico anziché legna o carbone.
Nei motori a combustione interna, come i motori a scoppio e i turbogetti, il carburante brucia
invece all’interno del fluido.
Energia dei gas: l’aria calda preme
Materiale: un palloncino, una bottiglia di plastica, un recipiente, acqua
Come procedere: fissare il palloncino sgonfio al collo della bottiglia, versare acqua calda nel
recipiente, appoggiare la bottiglia all’interno del recipiente
Osservazioni: dopo qualche minuto il palloncino inizierà a gonfiarsi, se, successivamente,
mettiamo la bottiglia sotto l’acqua del rubinetto il palloncino si sgonfierà
Spiegazioni:
1 Il calore ha due effetti sull’aria: la scalda e la mette in movimento
2 Per effetto del riscaldamento le molecole d’aria si allontanano l’una dall’altra
aumentando la pressione sulle pareti della bottiglia e del palloncino
3 Una variante dell’esperimento può essere mettere acqua calda all’interno di una
bottiglia di plastica e, dopo qualche secondo, svuotarla e tapparla. La bottiglia si
schiaccerà leggermente perché la pressione dell’aria all’esterno è maggiore di quella
contenuta dentro la bottiglia (parte dell’aria è fuoriuscita dalla bottiglia prima di averla
chiusa).
Aria calda e aria fredda
Materiale: palloncino e bottiglia di plastica
Come procedere:
1 assicurarsi che il palloncino sia abbastanza
morbido e che l’aria lo possa gonfiare senza
sforzo (in caso contrario gonfiare più volte il
palloncino dopo averlo allungato con le
mani)
2 immettere un po’ di aria dentro il palloncino
(non
riempirlo)
e,
successivamente,
chiudere l’imboccatura della bottiglia con il
palloncino stesso
3 porre la bottiglia in svariati luoghi a
temperature diverse da quella in cui è stata
chiusa (sul davanzale al sole, nel frigorifero, in una bacinella di acqua fredda o calda,
nel freezer,… ) ed attendere qualche minuto
4 disegnare su un foglio a quadretti una tabella indicando temperatura e forma del
palloncino
Osservazioni:
1 il palloncino cambia forma a seconda del luogo e della temperatura in cui è posta la
bottiglia come se qualcuno soffiasse dentro o rimuovesse l’aria: ma nella bottiglia non
c’è nessuno
2 esiste una relazione tra temperatura del luogo e la forma del palloncino: si gonfia di più
nei luoghi caldi e si sgonfia in quelli freddi
3 elaboriamo un grafico mettendo in orizzontale le temperature. in verticale la forma del
palloncino, per ogni osservazione metteremo un punto
Spiegazioni:
1 L’aria è dentro la bottiglia ed il palloncino reagisce alle variazioni di temperatura in
modo spettacolare: basta un piccolo aumento della temperatura per farla espandere e
si contrae appena la temperatura diminuisce. Il volume della bottiglia non varia e quindi
il palloncino si espanderà o si ritrarrà in corrispondenza delle dilatazioni dell’aria.
2 Anche gli oggetti di uso comune subiscono la stessa sorte ma in maniera così esigua
che non ce ne possiamo accorgere ad occhio nudo
3 In particolare si potrà notare che esiste una relazione strettissima fra la temperatura e
lo stato di dilatazione del palloncino: più è elevata la temperatura della bottiglia e
maggiore sarà il diametro del palloncino. Nel grafico i punti saranno allineati lungo una
retta ascendente: maggiore è la temperatura e maggiore sarà la quantità di aria che
fluisce nel palloncino
4 Il fatto che esiste una relazione diretta tra temperatura e dilatazione del palloncino ci
permette di dire che abbiamo costruito un termometro.
Scivolo a vapore
Materiale: un bicchiere, una tavola con la superficie levigata, acqua
Come procedere: scaldare il bicchiere (per esempio riempiendolo per qualche minuto di
acqua calda), far scivolare il bicchiere capovolto lungo la superficie
Osservazioni: quando il bicchiere è risaldato scivola più rapidamente verso il basso
Spiegazioni: L’aria contenuta all’interno del bicchiere, riscaldata dall’acqua, si espande e lo
solleva impercettibilmente
Il motore a vento
Materiale: una candela, fiammiferi, un termometro.
Come procedere: misurare l temperatura dell’aria dell’aula (lasciare il termometro fermo
almeno 10 minuti), misurare la temperatura dell’aria fuori dalla finestra (scegliere una finestra
on esposta al Sole), accendere la candela e chiudere porte e finestre, aprire per un
centimetro la finestra dove si è effettuata la misura, attendere almeno un minuto ed avvicinare
la candela all’apertura ponendola prima in basso e successivamente in alto.
Osservazioni: osservare la direzione della fiamma nelle due posizioni, annotare la differenza
di temperatura fra l’interno e l’esterno, annotare inoltre quali sono le direzioni in cui si piega la
fiamma quando la candela è posta nella parte alta e bassa dell’apertura.
Spiegazioni:
1 La fiamma della candela può essere piegata da una debole corrente d’aria (possiamo
fare la prova soffiandoci sopra)
2 L’aria calda tende a salire e se nella stanza l’aria è più calda, essa tenderà ad uscire
dalla parte superiore dell’apertura. Contemporaneamente, dall’esterno dell’aria fredda
entrerà nella stanza dalla parte bassa dell’apertura. La candela, in questo caso, ci
indicherà le direzioni del moto dell’aria piegandosi verso l’esterno quando è posta i alto
e verso l’interno quando è posta in basso. Se l’aria della stanza è più fredda di quella
esterna, il tutto si ribalta.
3 I venti nascono per motivi simili, infatti, essi sono i moti dell’aria provocati dalle
differenza di temperature fra zone della superficie terrestre
Cannone a vapore
Materiale: tubetto per medicinali in metallo, tappi di
sughero, fil di ferro, una candela.
Come procedere:
avvolgere il tubetto con il fil di ferro ed appenderlo,
bagnare il tappo di sughero con acqua e chiudere
l’apertura del tubetto, accendere la candela e
sistemarla dall’altra parte del tubetto.
Osservazioni: attendendo qualche minuto il tappo verrà sparato via come un proiettile.
Spiegazione:
1 L’energia termica fornita dalla combustione è impiegata per vincere le forze di
attrazione ed aumentare l’energia di movimento delle molecole d’acqua contenuta nel
tubetto. Queste, formatosi il vapore, riempiono tutto il volume disponibile all’interno del
tubetto esercitando una pressione sempre maggiore sulle pareti del contenitore.
2 Nelle macchine a vapore il tappo è uno stantuffo che va su e giù, trasformando
l’energia cinetica delle molecole di acqua in energia di movimento rotatorio.
