GIOCHI CON L'ACQUA

 

Il gioco della bottiglia

Cosa scoprire

L’aria esercita una forza. La pressione atmosferica è equivalente alla pressione esercitata da una colonna d’acqua alta circa 10 m.

Cosa serve

Un bricco per versare l'acqua, acqua, bottiglie (o contenitori trasparenti) di diversa capacità, carta stagnola, un imbuto, una bacinella, un tavolo d'appoggio.

Cosa fare

Si riempiono d’acqua le bottiglie (non è necessario che siano colme d’acqua), si poggia la carta sull’imboccatura, si capovolge la bottiglia tenendo la mano sull'imboccatura e facendo attenzione che il foglio di carta aderisca bene, si toglie la mano e il foglio, come per magia, rimarrà attaccato. Ma chi lo mantiene?

Questo gioco è molto semplice per cui si può chiedere ai visitatori, anche ai bambini, di provare (per le bottiglie più grandi far provare ai visitatori adulti). Si può iniziare dalla bottiglia più piccola e via via prendere bottiglie sempre più grandi scommettendo di volta in volta sulla riuscita. I visitatori vanno incuriositi sul fenomeno con domande del tipo: "Via via che prendo bottiglie più grandi il gioco si complica? Perché?"; "Perché il foglio di carta stagnola non cade? Chi lo mantiene?"; "Esiste un limite a questo gioco? E da cosa dipende questo limite".

Cosa accade

L’acqua nella bottiglia tenderebbe a scendere a causa del suo peso e quindi a spingere il foglio di carta. Anche l'aria che è fuori esercita una forza (in verso opposto) sul foglio di carta e ne impedisce la caduta. Esiste un limite a questo gioco? Si, ma non è fissato dalla quantità di liquido (e quindi dal peso) bensì dalla sua altezza. Vediamo perché: supponiamo di avere anziché una bottiglia un cilindro; in questo caso il peso dell’acqua è mg=rgSh, la forza esercitata dall’aria sull’imboccatura della bottiglia è pS dove p è la pressione atmosferica. Allora il limite è fissato dalla relazione pS=rgSh da qui si vede che è indipendente da S e quindi dalla quantità totale di acqua, di qui ricaviamo h=p/rg per l’acqua r = 103Kg/m3; g = 9,8m/s2; se p=1,012.105 N/m2 allora h=10,3m. Ad esempio se le bottiglie fossero riempite con mercurio il limite sarebbe 76 cm (essendo r = 13,6.103Kg/m3).

 

Il sifone

Cosa scoprire

Con questo gioco scopriremo un modo per svuotare un recipiente senza inclinarlo.

Cosa serve

Acqua, un tubo flessibile lungo circa 50 cm, due bottiglie.

Cosa fare

Una delle due bottiglie è piena d’acqua, l'operatore infila il tubo nella bottiglia e aspira il liquido finché il tubo non è completamente pieno, successivamente toglie il tubo dalla bocca e lo infila nell’altra bottiglia (che si trova più in basso rispetto all'altra): l’acqua inizierà ad uscire dalla prima bottiglia entrando nella seconda. Si può chiedere ai visitatori di prevedere quando terminerà il flusso. Si può chiedere loro se hanno mai visto fare una cosa del genere in un altra occasione (a casa per travasare il vino). Il flusso terminerà quando l'acqua nelle due bottiglie raggiunge lo stesso livello. Per farlo riprendere basterà alzare una delle due bottiglie.

Cosa accade

Il sifone non è altri che un’applicazione del principio dei vasi comunicanti. Sulla superficie S agisce: da sinistra la pressione

Pa-rgh1 e da destra Pa-rgh2. Il liquido fluirà verso la bottiglia che e più in basso visto che in questo caso h2 è maggiore di h1, e il flusso terminerà quando h1=h2 e cioè quando il livello di liquido nelle due bottiglie è lo stesso.

 

 

Il gioco della candela

Cosa scoprire

Con questo gioco scopriremo la legge che ci consente di bere da un bicchiere con una cannuccia.

Cosa serve

Un piattino, acqua, una candela (oppure metà tappo di sughero e un fiammifero infilato dentro) un bicchiere più alto della candela.

Cosa fare

Si accende la candela e con un po’ di cera la si attacca al piattino. Si versa nel piattino un po’ d’acqua e si copre con il bicchiere la candela. Dopo pochi secondi la candela si spegnerà e un po’ d’acqua sale all’interno del bicchiere. Lo stesso gioco si può ripetere con un pezzo di tappo di sughero in cui è infilato un fiammifero. In questo caso quando l'acqua entra nel bicchiere il pezzo di sughero sarà trasportato e galleggerà su essa. Per aiutare il visitatore a comprendere il fenomeno che accaduto gli si può fare l'esempio di quello che succede quando si beve da una lattina con una cannuccia: succhiando si crea una depressione all’interno della cannuccia e così il liquido sale fino ad arrivare alla nostra bocca. Se il visitatore ha assistito anche ai giochi precedenti gli si può chiedere se esiste un limite alla lunghezza della cannuccia.

Cosa accade

Mentre la candela (o il fiammifero nel sughero) è accesa all’interno del bicchiere avvengono una serie di reazioni di combustione che consumano molecole di O2 e formano molecole di CO2 in egual numero per rispettare la stechiometria della reazione, ma l'anidride carbonica si scioglie nell’acqua e quindi la pressione che agisce sul livello dell’acqua contenuta nel bicchiere si abbassa. Tutti i punti di un liquido che si trovano allo stesso livello sono sottoposti alla stessa pressione, così quando la pressione all’interno del bicchiere si riduce si deve innalzare una colonna di liquido la cui altezza deve compensare la depressione creata. Più aria si toglie e maggiore è l'altezza della colonna d'acqua. Ma esiste un limite: se si toglie tutta l'aria dal bicchiere la colonna d'acqua sarà alta circa 10 m.

 

L’acqua esercita una forza

Cosa scoprire

Gli oggetti galleggiano perché l’acqua esercita su di essi una spinta: la spinta di Archimede.

Cosa serve

Un elastico, una lattina vuota, acqua, una bacinella.

Cosa fare

Attacca l’elastico all’anello con cui si apre la lattina. Tieni la lattina per l’elastico e inizia a riempirla: più acqua metti più l’elastico si allunga. Se con l’altra mano sollevi la lattina noterai che l’elastico torna nella sua condizione di riposo: ora è la tua mano a sostenere il peso della lattina. Metti la lattina (sempre mantenuta per l'elastico) nella bacinella piena d’acqua, anche ora l’elastico ritornerà nella posizione di riposo: l’acqua come la tua mano sostiene il peso della lattina. La stessa esperienza può essere ripetuta appendendo all'elastico oggetti diversi: bulloni, pezzi di legno. Si può chiedere ai visitatori di fare previsioni. Insieme si osserva che quando il corpo è immerso nell'acqua l'elastico si accorcia sempre, anche se, come nel caso del bullone, il corpo non galleggia. In particolare, si potrà notare che solo se il corpo galleggia, l'elastico torna nella posizione di riposo: il peso è completamente bilanciato dalla forza esercitata dal liquido.

Cosa accade

Quando un corpo è immerso in un liquido su di esso si esercita una forza che può essere minore o uguale al peso del corpo. L'intensità di questa forza, detta spinta di Archimede, è uguale al peso del liquido spostato dal corpo. Un corpo galleggerà solo se la sua densità è minore o al più uguale a quella dell'acqua.

 

Facciamo galleggiare la plastilina

Cosa scoprire

Il galleggiamento di un corpo non dipende solo dalla densità del materiale da cui è costituito ma anche dalla sua "forma".

Cosa serve

Acqua, una bacinella, plastilina.

Cosa fare

La plastilina galleggia o va a fondo? Si chiede ai visitatori di fare una previsione. Si prova lasciando cadere una pallina di plastilina nella bacinella: la pallina sprofonderà come un sasso. Si distribuiscono pezzetti di plastilina ai visitatori e si chiede loro di modellarla affinché galleggi. Uno alla volta si immergono i diversi modelli. Se nessuno dei modelli galleggia, si discute insieme cercando nella vita quotidiana esempi di oggetti fatti dello stesso materiale che hanno un diverso comportamento in acqua. Ad esempio: una biglia di vetro o una bottiglia senza tappo affonda, ma una bottiglia di vetro tappata galleggia; un bullone di ferro affonda, ma una barca di ferro galleggia. Il trucco è dunque quello di modellare la plastilina dandole una forma che contenga un po' d'aria, ad esempio una barchetta, o un fagottino. Si può osservare che i due oggetti galleggiano in modo diverso: se si spinge la barca sott’acqua affonderà mentre il fagottino ritorna a galla.

Cosa accade

Una pallina di plastilina affonda mentre una barchetta o un fagottino (fatto con lo stessa plastilina) pieno d’aria di plastilina galleggia, cosa è cambiato? In entrambi i casi l’oggetto che galleggia non è fatto solo di plastilina ma di plastilina + aria (l’aria contenuta nella barca o nel fagottino). In questo modo la sua densità è minore di quella della sola plastilina, e se si ingloba abbastanza aria la sua densità potrà essere minore di quella dell'acqua. In questo caso l'oggetto galleggia.

 

Liquidi a strati

Cosa scoprire

Caratteristiche di galleggiamento dei liquidi.

Cosa serve

Un contenitore trasparente, olio, alcool, acqua,

Cosa fare

Si versano nell'ordine: l'acqua, l'olio, e l'alcool. Questa operazione deve essere eseguita molto lentamente evitando che l'alcool si mescoli con l'acqua. I tre liquidi si disporranno uno sull'altro, in fondo l'acqua, sopra l'olio ed in cima l'alcool.

Cosa accade

Anche per due liquidi si può parlare di galleggiamento: l'olio galleggia sull'acqua e l'acqua affonda nell'olio. Un liquido galleggia su di un altro se ha minore densità. Tuttavia, non sempre è possibile svolgere l'esperimento; infatti se i liquidi sono miscibili, come nel caso di acqua e alcool, è impossibile verificare chi dei due galleggia sull'altro.

 

Chi è più forte l'acqua, l'olio, o l'alcool

Cosa scoprire

La possibilità di galleggiare di uno stesso corpo dipende dal liquido in cui è immerso.

Cosa serve

Tre pezzetti di candela, tre contenitori trasparenti, acqua, alcool, olio.

Cosa fare

Si versa l'olio, l'acqua, e l'alcool nei tre contenitori. Si chiede ai visitatori di prevedere dove galleggerà il pezzetto di candela. Si svolge l'esperimento: il pezzetto di candela affonda nell'alcool, mentre galleggia nell'acqua e nell'olio. Si può notare che il volume di candela immerso nell'olio è maggiore di quello immerso nell'acqua. Quindi l'acqua è più forte dell'olio e dell'alcool, mentre l'olio è più forte dell'alcool. Questa esperienza va collegata con "Liquidi a strati" in cui si osserva che sull'acqua galleggiano sia l'olio che l'alcool, mentre sull'olio galleggia l'alcool. La "forza" di un liquido dipende dunque dalla sua densità.

Cosa accade

La possibilità di galleggiare dipende dalla densità del liquido e del corpo: un corpo galleggia in un liquido se la sua densità è minore o al più uguale a quella del liquido. La densità dell'acqua è : 1 g/cm3, la densità dell'olio è, la densità dell'alcool è . Dall'esperienza si può concludere che, per uno stesso oggetto, minore è la densità del liquido maggiore è il volume immerso.