relazione - INFN-LNL

SCOPO
Lo scopo di questo esperimento è quello di far avanzare una barchetta in uno specchio d’acqua
utilizzando la combustione dell’alcool e la conseguente espansione dell’acqua quando diventa
vapore.
TEORIA
IL PRINCIPIO DI ARCHIMEDE: Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso
l’alto pari al peso del fluido spostato dalla parte immersa del corpo:
FA = ps fluido · Vi
IL TERZO PRINCIPIO DELLA DINAMICA: Se ad un corpo viene applicata una forza esso
reagisce con una forza uguale ed opposta alla prima:
FA = -FB
LA CONDUZIONE DI CALORE: In un solido il calore si propaga per conduzione, secondo la
legge di Fourier:
Q=k
A
ΔTΔt
d
dove Q indica il calore trasmesso, k è il coefficiente di conduzione, A l'area della superficie, d lo
spessore, ∆T è la differenza di temperatura e ∆t è l'intervallo di tempo considerato.
IL CAMBIAMENTO DI STATO: Quando un liquido raggiunge la temperatura di ebollizione passa
allo stato aeriforme, aumentando il volume. Il calore necessario per far completare il passaggio di
stato ad un liquido di massa m e con calore latente Lv è:
Q = Lv · m
MATERIALI UTILIZZATI
•
Tavola di legno, scelto perché isolante e leggero, dalla quale abbiamo ricavato la sagoma
per il piano d’appoggio e che abbiamo intagliato per incastrarvi la caldaia.
•
Lamiera, scelta perché resistente al calore e leggera, che è stata utilizzata per creare una
scatola, con le pareti forate per permettere l’afflusso di aria, da utilizzare come caldaia; per
evitare una fiamma libera con la lamiera è stato creato anche il coperchio, anch’esso forato.
•
Polistirolo, scelto perché di bassa densità, che è stato tagliato e sagomato a forma di scafo
per permettere un galleggiamento ottimale.
•
•
•
•
Tubo di rame (Ø = 4 mm), scelto perché buon conduttore, avvolto a formare una serpentina
e piegato “a S” per seguire la forma dello scafo.
Lana di vetro, scelta perché ignifuga, e inserita nella caldaia.
Alcool, scelto perché nella combustione non produce gas nocivi, con il quale viene
imbevuta la lana di vetro.
Vasca in plexiglass, scelta perché trasparente e resistente.
•
Fogli di plexiglass, scelti perché flessibili ma resistenti, con i quali sono stati smussati gli
angoli della vasca per evitare che la barca si bloccasse.
•
Scarti di legno sagomati e utilizzati come timoni e pomello isolante per il coperchio.
MONTAGGIO
•
Abbiamo calcolato, (con il principio di Archimede) la superficie di scafo necessaria
affinché la barca galleggiasse con la parte immersa di circa 3 cm e con una massa complessiva
di circa
300 g.
•
Abbiamo quindi sagomato il polistirolo per renderlo più aerodinamico. Abbiamo ricavato
dalla tavola di legno una forma leggermente più lunga dello scafo in polistirolo nella parte
posteriore, per evitare il contatto tra la serpentina calda e il polistirolo.
•
Abbiamo tagliato, forato, piegato e saldato la lamiera per formare una scatola da utilizzare
come caldaia. Abbiamo creato una scatola con le minori dimensioni possibili per non
appesantire troppo l’imbarcazione. Con la lamiera abbiamo anche sagomato un coperchio,
dotato di un pomello ricavato dagli scarti di legno, isolante, per permetterne il sollevamento.
•
•
Abbiamo dipinto il supporto in legno e lo scafo.
Abbiamo curvato il tubo di rame, scaldandolo con una saldatrice ad acetilene, per avere più
superficie possibile a contatto con la fiamma, in accordo con la legge di Fourier.
•
Abbiamo poi inserito la serpentina nella scatola per formare la caldaia.
•
Abbiamo dipinto la scatola con una vernice resistente alle alte temperature.
•
Abbiamo incollato lo scafo al supporto in legno e l’abbiamo assicurato con delle viti.
Abbiamo incollato con della pasta rossa la caldaia al supporto di legno: utilizzando la pasta
rossa (isolante e resistente al calore) si evita che il legno annerisca a causa dell’alta temperatura.
•
Abbiamo curvato la parte di tubo fuori dalla scatola “a S” per immergere la serpentina in
acqua e per avere una spinta parallela allo scafo dalla parte della poppa.
•
E adesso possiamo goderci la navigazione sulla nostra sdraio (rigorosamente fatta a mano),
in sicurezza, perché è stato aggiunto un parapetto in corda!!
FUNZIONAMENTO
La serpentina viene riempita di acqua e la lana di vetro nella caldaia viene imbevuta di alcool.
La barchetta viene immersa in acqua e l’alcool viene acceso con un fiammifero. Si chiude il
coperchio e dopo qualche secondo la barchetta comincia a muoversi e si sente qualche scoppiettio
provenire dalle estremità della serpentina.
Ma perché avviene tutto questo?
Questo avviene perché la serpentina si scalda e, a sua volta scalda l’acqua al suo interno. L’acqua
bolle e diventa vapore, espandendosi.
Il vapore dilatandosi spinge nella vasca l’acqua contenuta nella parte fredda della serpentina e per il
terzo principio della dinamica fa avanzare la barca.
Quando il vapore arriva nella parte di serpentina immersa nell’acqua, si condensa, diventa acqua,
perché diminuisce la sua temperatura, e si contrae ritornando nella parte calda della serpentina, dove
il rame è ad alta temperatura. Il rame, essendo buon conduttore, cede nuovamente calore all’acqua
e il processo ricomincia.
DOCENTI REFERENTI
Daniela Cosulich – Alessio Giora – Christian Vetri
AUTORI DELL’ESPERIMENTO
Cosulich D., Giora A.,Vetri C. e Di Padova A.
e gli studenti: Panelli Enrico e Melan Tommaso di Classe 2 C
di Classe 5 TB
ITIS G. Marconi – Padova A.S. 2009/2010