Versione 2.0 –settembre 2006
Avvertenza
Il presente testo è da considerarsi come documento di lavoro.
Vi invitiamo pertanto a voler segnalare eventuali errori e
imprecisioni al seguente indirizzo
[email protected]
Scienze
naturali
Il movimento
Scuola media
Classe IV
Giubiasco, settembre 2006
Il movimento
Pagina
1
SOMMARIO
1. Il movimento: introduzione
........................................ 3
1.1. Quiete e movimento ................................................................ 3
2. La velocità
.................................................................................. 5
2.1. Gara tra un motoscafo e un'automobile ................................... 5
2.2. Esercizi .................................................................................... 8
3. L'accelerazione
...................................................................... 10
3.1. Esperienza – Moto accelerato.................................................. 10
3.2. La caduta libera dei corpi ....................................................... 11
4. Le forze
......................................................................................... 12
4.1. Le forze: la causa del moto...................................................... 13
4.2. Il peso è una forza ................................................................... 14
4.3. Esperienza - L'allungamento di una molla ............................. 15
Il movimento
Pagina
2
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
3
Si è spostato il
perché
Conclusione:
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?
- Piero si muove rispetto al conducente?
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?
Il movimento
Pagina
4
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
∆t
2
80
10
2
3
80
10
3
4
80
10
4
5
80
10
1
5
Il movimento
∆S
S/t
∆t
Pagina
5
Automobile
Da
Distanza percorsa [m]
A
∆S
Tempo impiegato [s]
S
∆S
S/t
∆t
t
∆t
1
2
120
8
2
3
120
12
3
4
120
15
4
5
120
5
1
5
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
8
10
20
30
35
40
Distanza percorsa dal
motoscafo [m]
Distanza percorsa
dall'automobile [m]
Il movimento
Pagina
6
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):
L’automobile viaggia invece a diverse velocità (moto vario):
Il movimento
Pagina
7
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
Partenza
Fine rettilineo
Curva nord
Curva panoramica
Arrivo
km percorsi
Tempo [s]
0
1,5
3,5
4,5
6,5
0
20
60
90
120
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?
Qual è stata la velocità media sul giro in
Il movimento
m
s
? Come fare per trasformare questa velocità in
km
?
h
Pagina
8
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?
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?
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
5 centesimi di secondo
1 decimo di secondo
mezzo 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
Il movimento
km
h
si reca a scuola. Arriverà in orario se le lezioni iniziano alle 8 precise?
Pagina
9
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
Pagina 10
- 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:
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
Pagina 11
4. Le forze
Le forze modificano la forma di un corpo....
.... o ne modificano lo stato di quiete o di moto.
Il movimento
Pagina 12
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
Pagina 13
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
Pagina 14
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
Pagina 15
