Attività didattica progettata da Anastasiia Plotnikova e Biagio Ambrosio durante il corso di dottorato “Designing innovative public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2022.
Quali sono le forze che si oppongono alla gravità? Forza di Archimede, forza di attrito, forza magnetica e reazione vincolare.
Sperimenta la sfida tra la gravità e ciascuna di queste forze per scoprire, di volta in volta, chi ne esce vincitore.
Materiali
• piano inclinato verniciato per metà
• contenitori per acqua
• scatole da scarpe
• magneti
• cubi di legno
• chiodi
• filo di rame
• pellicola di alluminio
• colla
• fogli di carta
Per il tavolo di tinkering:
• piano inclinato verniciato per metà
• contenitori per acqua
• scatole da scarpe
• magneti
• filo di rame
• fogli di carta
• stuzzicadenti lunghi per spiedini
Nota: metà dei cubi di legno vengono riempiti con 12 chiodi (2 chiodi per ciascuna faccia del cubo), rivestiti di filo di rame e poi da uno strato di alluminio. Questo permette di realizzare cubi ‘metallici’ in maniera economica. I cubi di metallo cui si farà riferimento nel testo sono stati costruiti in questo modo.
Descrizione dell’attività
Durante questa attività i partecipanti sperimenteranno la sfida fra la gravità e le altre forze. L’attività si divide in quattro ‘stadi’: in ciascuno di essi la gravità sfiderà una delle seguenti forze:
- Forza di Archimede
- Forza di attrito
- Forza magnetica
- Forza di reazione
Alla fine dell’esperienza prepara un tavolo di tinkering.
Preparazione:
1. Forza di Archimede: metti i contenitori sul tavolo, abbastanza distanti fra loro e dai bordi; poi riempi i contenitori con dell’acqua fino ad un livello di circa 4 cm dalla sommità del contenitore.
2. Forza di attrito: metti il piano inclinato sul tavolo e fissalo tramite qualcosa di stabile (delle rocce vanno benissimo, se non hai a disposizione oggetti del genere cerca di mantenere la base del piano ferma con le mani). All’inizio il piano deve avere una inclinazione bassa (Figura 1).
Figura 1
3. Forza magnetica: rimuovi i coperchi dalle scatole da scarpe e appoggiale sul tavolo, utilizzando le facce più piccole come base; poi fissa i magneti sulla parte interna della faccia superiore utilizzando la colla (Figura 2).
4. Forza di reazione: appoggia due scatole da scarpe (con coperchio) sul tavolo, utilizzando come base le facce più grandi. Tieni a portata di mano anche dei fogli di carta.
Figura 2
Tavolo per il tinkering: poni su questo tavolo il materiale indicato nella sezione ‘Per il tavolo di tinkering’.
Attività Preliminare:
Ogni partecipante riceve (diverso dai quattro che presiedono ai vari stadi) un cubo di legno e uno di metallo (Figura 3).
L’insegnante può presentare l’attività, spiegando ai partecipanti la storia della sfida fra la gravità e le altre forze.
Figura 3
Svolgimento:
Forza di Archimede
L’insegnante presenta brevemente la forza di Archimede, poi chiede ai partecipanti di mettere in acqua (Figura 4) i cubi di legno e di metallo per mostrare come la forza di Archimede agisce con materiali differenti.
Figura 4
Forza di attrito:
L’insegnante presenta brevemente la forza di attrito, poi chiede ai partecipanti di provare a lasciar cadere entrambi i loro cubi lungo il piano inclinato, utilizzando solo la parte non verniciata (Figura 5): i cubi di metallo e quelli di legno cadono con velocità diverse perché l’attrito dipende dai materiali.
Figura 5
Poi l’insegnante chiede a due partecipanti di posizionare i loro cubi di legno (o di metallo, l’importante è che siano dello stesso materiale) sulle due diverse parti del piano (Figura 6), un cubo sulla parte verniciata e uno su quella non verniciata, alla stessa altezza, e lasciarli cadere: anche se i cubi hanno lo stesso peso quello che cade lungo la parte verniciata del piano è più lento perchè la vernice aumenta l’attrito del piano e quindi la gravità fa più fatica.
Figura 6
Forza magnetica:
L’insegnante presenta brevemente la forza magnetica, poi chiede ai partecipanti di appoggiare i cubi contro la parte interna della faccia superiore della scatola (dove sono incollati i magneti) e poi lasciarli cadere (Figura 7). Possiamo vedere che la forza magnetica agisce solo con i metalli.
Figura 7
Forza di reazione:
L’insegnante presenta brevemente la forza di reazione, poi posiziona il coperchio di una delle scatole alla stregua di un ponte fra le due e chiede ai partecipanti di metterci i cubi sopra (Figura 8). I cubi non cadono. Dopo il coperchio viene sostituito con un foglio di carta. I cubi cadono (Figura 9). A questo punto è possibile chiedere ai partecipanti come rendere la carta più resistente. Loro possono scoprire che ripiegando la carta è possibile rendere il foglio abbastanza resistente da non far cadere i cubi (Figura 10).
Figura 8
Figura 9
Figura 10
Alla fine tutti i partecipanti raggiungono il tavolo del tinkering. Qui i partecipanti possono divertirsi con i cubi, la carta, i magneti e tutti gli oggetti a disposizione, mettendo in pratica quello che hanno imparato.
Spiegazione del processo fisico
La gravità è la forza che fa sì che tutti gli oggetti massivi nell’universo si attraggano a vicenda. La luce non ha massa, ma subisce anch’essa gli effetti della gravità, che è capace di curvare la sua traiettoria. Questa forza spiega perché i pianeti orbitano attorno alle stelle e anche perché gli oggetti cadono qui sulla Terra: come scoprì Isaac Newton, la forza che attrae la Terra verso il Sole è la stessa che attrae una mela verso il suolo, e questa forza è la gravità.
Ma alcune altre forze possono contrastare l’azione della gravità, agendo in maniera opposta:
La forza di Archimede viene fuori ogni volta che un corpo viene immerso in un materiale fluido (non solo nell’acqua, anche nell’aria!). Questa forza si oppone alla gravità e il suo valore è dato dal peso del volume di fluido spostato dal corpo. Perciò il punto cruciale è la densità: se la densità del corpo è più grande di quella del fluido la gravità è più forte della forza di Archimede, e il corpo affonda, mentre nel caso opposto la forza di Archimede è più intensa e il corpo galleggia.
Parametro chiave per questa forza: densità.
L’attrito è una forza che viene fuori tra i corpi a contatto e dipende dai materiali che il compongono.
Materiali lisci generano meno attrito, mentre materiali ruvidi generano più attrito. Anche la forma dei corpi ha un ruolo: l’attrito si comporta diversamente nei corpi squadrati (attrito radente) e in quelli arrotondati (attrito volvente).
Anche gli oggetti in caduta risentono dell’attrito, che viene generato dal contatto con l’aria.
In questa esperienza abbiamo a che fare con l’attrito fra solidi.
L’attrito fra un corpo e una superficie è proporzionale alla massa del corpo ma è anche legato al materiale ( del corpo e della superficie) tramite una quantità chiamata coefficiente d’attrito: più è grande questa quantità, più sarà forte l’attrito.
Nel caso del piano inclinato la forza di attrito diminuisce al crescere dell’inclinazione del piano.
Parametri chiave per questa forza: massa del corpo, materiali, inclinazione del piano.
La forza magnetica agisce su materiali con proprietà magnetiche come ferro, cobalto, nickel, ecc, ma anche alcune leghe di magnesio, cromio e uranio. Tutti questi materiali mostrano queste proprietà quando si trovano abbastanza vicini a una sorgente di forza magnetica, come un magnete appunto. Oggetti composti da materiali del genere vengono quindi attratti dalla sorgente.
Ma nel caso di sue sorgenti la situazione è più complessa. I magneti hanno infatti due poli: i poli opposti si attraggono mentre poli uguali si respingono.
Diversamente dalle altre forze che abbiamo visto, la forza magnetica agisce anche a distanza, ma la sua forza diminuisce all’aumentare della stessa.
Parametri chiave per questa forza: materiali, distanza.
La forza di reazione viene fuori ogni volta che un corpo cerca di resistere a una deformazione. Il corpo resiste fino a quando la forza che lo sta deformando supera il suo limite di rottura. Quando un oggetto viene posto su una superficie tende a cadere a causa della gravità e quindi a deformare la superficie. Perciò la superficie sviluppa una forza di reazione che si oppone alla gravità, fintanto che è abbastanza intensa. Ma se il peso del corpo supera il limite di rottura della superficie quest’ultima si romperà. In alcuni casi è possibile migliorare la resistenza di una superficie modificando la sua geometria: ripiegare un foglio su se stesso è un modo semplice di renderlo più resistente.
Parametri chiave per questa forza: limite di rottura e geometria del materiale.
