Versione 2.0 – settembre 2006
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Scienze
naturali
Il movimento
Scuola media
Classe IV
Giubiasco, settembre 2006
Il movimento
Pagina
1
Il movimento e le forze
Piano di svolgimento – attività e tempi
Unità
Attività
I corpi in movimento
•
•
•
La velocità
La velocità
Verifica scritta
L'accelerazione
Le forze
Le forze
Verifica scritta
Tempo previsto
Riprendere le unità di misura di lunghezza e di tempo con le relative trasformazioni
Il concetto di quiete e di modo
Come stabilire chi è in movimento e chi sta fermo
•
•
•
•
•
•
•
•
Gara tra un motoscafo e un'automobile
Il moto uniforme
Il moto vario
La velocità media
La rappresentazione grafica
Esercizi
Verifica
Differenza tra moto uniforme e moto rettilineo uniformemente accelerato
• Esperienza pratica: il moto accelerato di una biglia
su un piano inclinato
• La caduta libera dei corpi
• Riflessione sul concetto di forza
• Le forze come causa del cambiamento dello stato di
quiete o di moto di un corpo
• L'unità di misura delle forze
• La forza peso
• Differenza tra massa e peso
• Esperienza pratica: l'allungamento di una molla
Verifica
TOTALE
Il movimento
2h
2h
2h
2h
2h
2h
2h
2h
16 h
Pagina
2
SOMMARIO
1. Il movimento: introduzione
........................................ 4
1.1. Quiete e movimento ................................................................ 4
2. La velocità
.................................................................................. 6
2.1. Gara tra un motoscafo e un'automobile ................................... 6
2.2. Esercizi .................................................................................... 9
3. L'accelerazione
...................................................................... 11
3.1. Esperienza – Moto accelerato.................................................. 11
3.2. La caduta libera dei corpi ....................................................... 12
4. Le forze
......................................................................................... 13
4.1. Le forze: la causa del moto...................................................... 14
4.2. Il peso è una forza ................................................................... 15
4.3. Esperienza - L'allungamento di una molla ............................. 16
Il movimento
Pagina
3
1. Il movimento: introduzione
1.1. Quiete e moto
Quando osserviamo ciò che ci circonda ci sembra molto facile stabilire cosa è in movimento e cosa
è immobile.
Ma è tutto così semplice? Se osservi le due vignette, sei in grado di dire chi si è spostato?
Si è mosso il cane o il coniglio? O si sono spostati entrambi? Le illustrazioni non permettono di
stabilirlo in modo esatto!
Osserva la situazione seguente: ora è tutto più facile!
Il movimento
Pagina
4
Si è spostato il
cane
perché
l'illustrazione mostra che il coniglio non si è mosso per rapporto al vaso di fiori
che è rimasto immobile.
Conclusione:
per definire il moto di un corpo è necessario specificare un
punto di riferimento.
Un corpo è in moto se cambia la sua distanza e la sua posizione per rapporto a un punto fisso di riferimento.
Esercizio
a) Piero e Giovanna si trovano sull’autobus. Giovanna è seduta, Piero si sposta nel corridoio.
- Giovanna si muove rispetto all’amica che la saluta dal marciapiede?
- Giovanna si muove rispetto al conducente dell’autobus?
- Piero si muove rispetto a Giovanna?
SI
NO
SI
- Piero si muove rispetto al conducente? SI
b) Come ben sai per molti anni si è creduto, complice anche l’ostinazione della Chiesa cattolica, che
fosse il sole a muoversi attorno alla terra. Come mai è così difficile stabilire chi si muove e chi
sta fermo?
Perchè nello spazio è molto difficile stabilire un punto di riferimento fisso rispetto al quale definire che cosa si muove.
Il movimento
Pagina
5
2. La velocità
2.1. Gara tra un motoscafo e un'automobile
Immaginiamo di assistere ad una gara tra un motoscafo e un'automobile.
Per andare dal punto 1 al punto 5 l’automobile e il motoscafo percorrono traiettorie diverse e impiegano tempi diversi.
Suddividiamo entrambi i percorsi in quattro parti e misuriamo il tempo impiegato per percorrere
ognuno degli spazi.
Nelle tabelle che seguono completiamo nelle celle vuote i dati mancanti.
Motoscafo
Da
A
1
Distanza percorsa [m]
Tempo impiegato [s]
∆S
S/t
S
∆S
t
∆t
2
80
10
8
2
3
80
10
8
3
4
80
10
8
4
5
80
10
8
1
5
320
40
8
Il movimento
∆t
Pagina
6
Automobile
Da
Distanza percorsa [m]
A
∆S
Tempo impiegato [s]
S
∆S
t
∆t
S/t
∆t
1
2
120
8
15
2
3
120
12
10
3
4
120
15
8
4
5
120
5
24
1
5
480
40
12
Il rapporto tra la distanza percorsa e il tempo impiegato a percorrerla esprime la rapidità del moto
e rappresenta la distanza percorsa in una unità di tempo. Questo rapporto si chiama velocità media.
V = ∆S
∆t
⎡ m ⎤ ⎡ km ⎤
v = velocità ⎢ ⎥ ⎢
⎣ s ⎦ ⎣ h ⎥⎦
∆S = distanza percorsa
1
∆t = tempo impiegato
[m ] [km ]
[s ] [h ]
Il motoscafo in tempi uguali percorre sempre spazi uguali: la sua velocità è costante. In questo caso
si parla di moto uniforme.
Nel caso dell’automobile la velocità nei vari intervalli non è costante: si tratta di moto vario.
In ognuna delle tabelle l’ultima riga considera la distanza totale e il tempo totale impiegato per percorrerlo: il rapporto tra queste due grandezze è la velocità media.
Riprendiamo ora i dati del motoscafo e dell'automobile e completiamo la seguente tabella:
Tempo impiegato [s]
0
Distanza percorsa dal
motoscafo [m]
0
Distanza percorsa
dall'automobile [m]
0
Il movimento
8
120
10
20
30
80
160
240
240
35
40
320
360
480
Pagina
7
Riportiamo nel grafico sottostante la distanza percorsa dal motoscafo e dall'automobile in funzione
del tempo trascorso; in rosso i dati del motoscafo e in blu quelli dell’automobile.
Distanza percorsa [m]
S=f(t)
500
480
460
440
420
400
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Te mpo impie gato [s]
Il motoscafo si muove con una velocità costante (moto uniforme):
Impiega sempre lo stesso tempo per percorrere un determinato spazio.
In altre parole in tempi uguali percorre spazi uguali.
L’automobile viaggia invece a diverse velocità (moto vario):
Lo spazio percorso nel medesimo intervallo di tempo non è costante.
Se la velocità aumenta il corpo accelera, mentre se diminuisce decelera.
Il movimento
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8
2.2. Esercizi
1. Durante lo svolgimento del gran premio d’Italia sul circuito di Monza, il pilota della Ferrari Michael Schumacher ha percorso un giro facendo registrare i tempi riportati dalla tabella:
Punto
km percorsi
Tempo [s]
0
1,5
3,5
4,5
6,5
0
20
60
90
120
Partenza
Fine rettilineo
Curva nord
Curva panoramica
Arrivo
Riporta nel grafico i dati della tabella.
7
Distanza percorsa [km]
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Tempo impiegato [s]
Tra quali punti del circuito è stata raggiunta la velocità media massima? Da cosa lo deduci?
Nel primo tratto, tra la partenza e la fine del rettilineo. La retta che rappresenta il movimento è più ripida che negli altri tratti, quindi in poco tempo viene percorso un tragitto lungo.
Qual è stata la velocità media sul giro in
∆S = 6500 m ; ∆t = 120s
m
s
? Come fare per trasformare questa velocità in
V=
km
?
h
∆S 6500 m
m
=
= 54
120s
s
∆t
km
120s
; ∆S = 6500 m = 6,5km ; ∆t = 120s =
= 0,033 h
s
h
3600
h
6,5km
km
V=
= 195
0,033h
h
Velocità in
Il movimento
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9
2. La galleria del S. Gottardo è lunga circa 16 km e al suo interno la velocità massima consentita è
di 80
km
h
. Quanti minuti occorrono per percorrere il tunnel?
km 80'000m
m
=
= 22
h
3600s
s
720s
∆S 16'000m
=
= 720s = 720s =
=12min
∆t =
m
s
V
22
60
s
min
∆S = 16 km =16'000 m ; V = 80
3. Il razzo “Saturno 5” e la sua capsula “Apollo” hanno permesso all’uomo di raggiungere la luna.
La distanza tra la terra e la luna è di 380’000 km e il viaggio è durato 3 giorni.
Qual è stata in
km
la
h
velocità media del viaggio?
∆S = 380'000km ; ∆t = 3d = 3d ⋅
V=
∆S 380'000km
km
=
= 5278
∆t
72h
h
24h
= 72h
d
4. Il tennista Roger Federer riesce a colpire la pallina con una forza tale da farla viaggiare a 180
km
h
. Un avversario, posto a 25 m di distanza, quanto tempo ha per prepararsi a rispondere al tiro
di Federer?
5 millesimi di secondo
X mezzo secondo
5 centesimi di secondo
1 decimo di secondo
1 secondo
2 secondi
5. Mario abita a 6 km dalla scuola. Un mattino parte da casa alle 7.45 e con il ciclomotore che
viaggia a 30
km
h
si reca a scuola. Arriverà in orario se le lezioni iniziano alle 8 precise?
Tempo disponibile per arrivare puntuale a scuola 15 minuti
km
h
∆S 6 km
∆t = tempo impiegato =
=
= 0, 2h =12 min
V 30 km
h
Mario arriva puntuale!
∆S = 6km = ; V = 30
Il movimento
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3. L'accelerazione
Durante una gita in bicicletta la velocità non rimane sempre la stessa ma varia nel tempo. Se per andare a scuola devi superare una salita è probabile che la tua velocità diminuisca mentre quando affronti una discesa la velocità sembra aumentare sempre di più. La misura della rapidità con cui varia
la velocità con il trascorrere del tempo si chiama accelerazione.
3.1. Esperienza - Moto accelerato
Misuriamo il tempo impiegato da una biglia d’acciaio a percorrere varie distanze lungo un binario
inclinato.
Tempo trascorso [s]
0,0
Distanza percorsa [m]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Riporta i valori nel grafico sottostante e unisci accuratamente i punti.
S=f(t)
Distanza percorsa [m]
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
Tem po im piegato [s]
Leggi attentamente il grafico e completa le seguenti tabelle:
Il movimento
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- Nel primo secondo (da 0 a 1 s):
Intervallo di tempo
da 0s a 1s
Distanza percorsa [m]
Velocità media [m/s]
- Nel secondo secondo (da 1 a 2 s)
Intervallo di tempo
da 1s a 2s
Distanza percorsa [m]
Velocità media [m/s]
- Nel terzo secondo (2 a 3 s)
Intervallo di tempo
da 2s a 3s
Distanza percorsa [m]
Velocità media [m/s]
Conclusioni:
La lettura delle tabelle ci consente di evidenziare che a ogni
secondo che passa la biglia percorre uno spazio sempre
maggiore. Tale variazione è possibile solo se la velocità aumenta con il trascorrere del tempo.
Si deduce che siamo in presenza di un moto accelerato.
3.2. La caduta libera dei corpi
Anche il movimento di caduta libera è un moto accelerato. Se lasci cadere un sasso, questo inizia a
cadere partendo da una velocità iniziale nulla (da fermo), che aumenta in modo regolare nel corso
della caduta. Lo studio dei corpi in caduta libera e la scoperta che si tratta di un moto accelerato dovuto alla forza di gravità della terra che attira tutti i corpi verso il suo centro facendoli cadere, è da
attribuire a due grandi scienziati del passato: Galileo Galilei (1564-1642) e Isaac Newton (16421727). Se trascuriamo l’effetto frenante dell’aria, un oggetto che cade liberamente aumenta la propria velocità di circa 10 m/s ogni secondo: tradotto in altri termini, dopo 5 secondi di caduta libera
un paracadutista (col paracadute ancora chiuso) ha già raggiunto la notevole velocità di 180 km.
h
Il movimento
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4. Le forze
Le forze modificano la forma di un corpo....
.... o ne modificano lo stato di quiete o di moto.
Il movimento
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4.1. Le forze: la causa del moto
Abbiamo esaminato il moto dei corpi, osservandone qualcuno in particolare, ma non abbiamo approfondito quali ne fossero le cause.
Esaminiamo ora che cosa provoca il movimento, cioè che cosa fa si che un corpo da fermo si metta
in moto o, se già in moto, si fermi o modifichi il suo movimento.
Esaminiamo alcune situazioni nelle quali con i nostri muscoli possono modificare lo stato di quiete
o di moto di un corpo.
Spingendo un carrello della spesa esso si sposta.
Dando un calcio a un pallone
fermo lo si mette in movimento.
Un portiere blocca la palla che
arriva a grande velocità
In generale
Per modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo occorre l’intervento di una
causa esterna: questa causa esterna si chiama forza.
Per misurare le forze si usa uno strumento chiamato dinamometro che è costituito da una molla e da
una scala graduata.
L’unità di misura delle forze è il Newton [N]
Il movimento
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4.2. Il peso è una forza
Abbiamo detto che le forze sono la causa capace di modificare il moto di un
corpo. Se lasciamo cadere da fermo un oggetto questo di mette in movimento accelerato. Qual'è la forza che agisce su questo oggetto?
È la forza di gravità terrestre.
La forza di gravità terrestre è quella forza che attira tutti gli oggetti verso il
centro della terra facendoli cadere verticalmente verso il basso. La forza di
gravità esercitata dalla terra su un corpo si chiama comunemente peso di
quel corpo.
La forza di gravità cambia da un luogo all’altro dell’universo: sulla luna
essa è sei volte inferiore a quella della terra. Quindi, sulla luna un corpo
pesa sei volte meno rispetto al suo peso sulla terra!
Nello spazio, lontano dai pianeti e dal sole, la forza di gravità è nulla. Gli
oggetti sono quindi senza peso e “galleggiano” sospesi nel vuoto.
Il peso di un corpo è il valore della forza di gravità che agisce su di esso. Il peso di un
corpo cambia da un luogo all’altro dell’universo a dipendenza della forza di attrazione dovuta alla gravità.
Anche i corpi che cadono subiscono un'accelerazione dovuta alla forza di gravità.
Durante la caduta libera la velocità aumenta di circa 10 m/s a ogni secondo (per l’esattezza 9,81 m/s
per ogni secondo di caduta).
1 Newton [N] è la forza esercitata dalla
gravità terrestre su una massa di 102
grammi.
Oppure
1 Newton [N] è il peso (sulla terra) di una
massa di 102 grammi
Il movimento
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4.3. Esperienza - Allungamento di una molla
Misuriamo l’allungamento subìto da una molla sotto l’effetto del peso di un numero variabile di
piccole masse cilindriche di 50 grammi.
Massa applicata [kg]
0,00
Peso [N]
0,00
Allungamento [cm]
0,0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Peso/allungamento [N/cm]
Riporta i dati della tabella nel grafico che segue.
3.50
3.00
Peso [N]
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
Allungamento [cm]
Il movimento
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