Attività didattica progettata da Emanuele Dondoglio durante il corso di dottorato “Designing innovative public engagement activities” tenuto all’Università di Padova nel 2022.

Materiali

• tubi di spugna per la coibentazione tagliati a metà, lunghi 2 metri (3 per gruppo)
• forbici (1 per gruppo)
• nastro adesivo nero (1 per gruppo)
• biglie (4 per gruppo)
• contenitore (1 per gruppo)
• muro (a cui attaccare la pista)

Descrizione dell’attività

In questa attività dovrai sfidare le bambine e i bambini a costruire delle montagne russe per le biglie, facendole rotolare sui tubi, che dovrai tagliare a metà per lungo prima dell’attività. Dividi i bambini in gruppi da 3-4. Ogni gruppo dovrà costruire una pista per le biglie, incollando
con il nastro adesivo i tubi al muro, sfruttando la forza di gravità che fa rotolare verso il basso la biglia per farle completare il percorso. I tubi possono (e devono) essere piegati in vari modi (vedi la Figura in alto a sinistra) e uniti tra di loro a formare tubi più lunghi (vedi Figura in basso a
sinistra). Tra due tubi uniti lo scotch deve essere ben aderente al tubo, altrimenti frena (o addirittura ferma) la biglia. Ogni gruppo ha a disposizione tre tubi (ma ne può usare anche meno, decidono loro).
Ogni gruppo viene sfidato a costruire una pista che soddisfa due richieste: la prima è che la biglia deve essere in grado di compiere un giro completo (o loop), la seconda è che a fine percorso la biglia deve atterrare all’interno di un contenitore che dovranno capire loro dove piazzare. Gli puoi dare un limite di tempo per completare la sfida, ad esempio 15-20 minuti. Al termine, i gruppi testano le loro piste per vedere se le biglie riescono a fare il percorso. Questo potrebbe essere un buon momento per spiegargli un po’ di fisica che c’è dietro, ad esempio perché nei loro percorsi la biglia supera (o non supera) il loop, oppure perché una biglia atterra più vicino o più lontano quando lascia la pista per atterrare nel contenitore (vedi la sezione successiva). Dopodiché, puoi sfidare i gruppi a costruire montagne russe ancora più complicate (ad esempio:
doppio loop, colline, curve…) lasciandoli lavorare di fantasia. Restare attaccati al muro non è una regola, e magari una pista che parte dal muro può staccarsi per fare una curva.

Spiegazione del processo fisico

La biglia si muove e riesce ad arrivare alla fine della pista grazie alla spinta datagli dalla forza di gravità. La forza di gravità agisce su tutti i corpi che vediamo ogni giorno, e nel nostro caso è sempre diretta verticalmente verso il suolo. Essa avrà effetti diversi a seconda della zona di pista
che la biglia sta attraversando. Nella Figura grande a destra sono evidenziate tre diverse zone:

Caduta iniziale (zona A) In questa zona, la gravità spinge la biglia a rotolare verso il basso, quindi la “aiuta” a muoversi lungo la pista. Più questa parte di percorso è lunga, maggiore è la velocità della biglia quando questa finisce. Questo perché in discesa la forza di gravità accelera la biglia, e più questa parte di percorso è lunga più tempo ha la gravità di aumentare la sua velocità.Interessante è anche notare come influisce l’inclinazione del tubo: più è vicino ad una posizione verticale, più sarà alta la velocità alla fine della discesa iniziale, e meno tempo di impiegherà la biglia per raggiungere la fine di questa zona.

Loop (zona B) L’inizio del loop è caratterizzato da una salita, dove la gravità va a decelerare (cioè diminuire) la velocità della biglia, al contrario del pezzo precedente. Se la biglia non ha abbastanza velocità all’inizio di questa fase, non supererà la salita. Intorno al punto più alto del giro completo, la gravità tende a far staccare la biglia dal percorso, perché si trova “a testa in giù”, senza un supporto al di sotto che evita la caduta libera verso il basso. Per evitarlo, utilizziamo la forza centrifuga, che agisce su ogni corpo che ruota (come la biglia nel loop), dando una spinta opposta alla forza di gravità. Più un corpo ruota velocemente, maggiore è la forza centrifuga, quindi maggiore sarà la sua resistenza a cadere. Per non cadere, la biglia deve essere abbastanza veloce da avere una forza centrifuga maggiore della forza di gravità, quindi di nuovo serve che abbia una velocità abbastanza alta all’inizio del loop. Alla fine del giro, la biglia si trova in una situazione simile alla zona A, in quanto sta attraversando una discesa, e quindi sarà di nuovo accelerata.

Fine pista e atterraggio (zona C) Quando la biglia lascia la pista e non ha più un supporto sotto di sé, la gravità la trascina verticalmente verso il basso. Ma se in quel momento ha una certa velocità, non cadrà verticalmente ma si muoverà anche nella direzione di lancio mentre cade verso il basso,
descrivendo una sorta di arco (il cosiddetto moto parabolico), dovuto alla combinazione della forza di gravità e della spinta data alla biglia.
A che distanza atterra la biglia? Più la biglia è veloce, maggiore sarà la spinta nella direzione in cui viene lanciata (cioè verso destra per la pista in Figura), e quindi atterrerà più lontano. L’inclinazione dell’ultimo tratto di pista percorsa è anche molto importante. Infatti, la distanza sarà maggiore se la pista farà una piccola rampa, cioè una salita finale come in Figura, mentre sarà minore se la fine della pista sarà in discesa. Attenzione però, se la rampa è troppo in salita, la
biglia andrà molto in alto ma atterrerà poco distante. La massima distanza raggiunta dalla biglia lanciata dalla rampa (chiamata gittata) si raggiunge inclinando la rampa di 45° (ovvero a metà strada tra il tubo messo orizzontale e messo verticale).