ESPERIMENTI PRESENTATI DAL PROF. VITTORIO ZANETTI al “tè

ESPERIMENTI PRESENTATI DAL PROF. VITTORIO ZANETTI
al “tè degli insegnanti” - 23 marzo 2007
(testi a cura della prof.ssa Silvia Defrancesco, rivisti dal prof. Zanetti)
1) “Maschera” di plastica raffigurante un volto, illuminata dal retro. Se il volto è posto dalla
parte concava, si nota una figura 3D convessa, inoltre, il volto sembra che segua
l’osservatore. La spiegazione risiede con ogni probabilità nel fatto che quando la faccia è
normale, cioè “convessa” se l’osservatore si sposta trasversalmente, i particolari della faccia
cambiano molto di meno che quando la faccia è “concava”. cioè all’indentro.
2) “Motoscafo pot-pot”.
Si tratta di una barchetta giocattolo, del tipo di quella in figura. La prima è una foto di un
motoscafo che si acquista, la seconda, quella di un motoscafo costruito dal prof. Guido
Pegna. La spiegazione è ancora oggetto di studio. Riportiamo qui due spiegazioni, una tratta
dal sito: http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_pop-pop, l’altra data dal prof. Pegan sul sito:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_pop-pop
Il motore costituito da una caldaia, di volume contenuto fra due lamelle metalliche, sulla
quale sono collegati due tubicini di piccolo diametro. L’estremità dei due tubi è immersa
nell’acqua sul retro della barca. Una sorgente di calore(candela, cotone bagnato con alcol)
riscalda la caldaia e quindi l’acqua contenuta al suo interno. Il funzionamento sembra essere
semplice: si deve introdurre l’acqua in un tubicino, l’aria scalda l’acqua e quindi scappa dal
tubo, altra acqua entra, che viene portata all’ebollizione e esce di nuovo), ma non è così. Il
motoscafo, infatti, funzionerebbe anche con un tubo solo. Il motore pop-pop è un motore a
vapore alternato a due tempi a
combustione
esterna.
Probabile
spiegazione del funzionamento: dopo
aver riempito d’acqua il circuito,
evitando di lasciare dell’aria, dopo aver
acceso la candela , il calore della stessa
viene comunicato alla caldaia, che crea
del vapore che spinge fuori l’acqua
della caldaia e parte di quella del
tubicino. (primo tempo). La depressione
creata
dall’avanzare
dell’acqua,
combinata a quella generata dal
raffreddamento
del
vapore
surriscaldato
in
vapore
saturo,
aspirerebbe nuova acqua nel tubicino (o nei tubicini) (secondo tempo).Parte del vapore
saturo diventa sovrasaturo e si ricrea la situazione del primo tempo.
Questo moto di va e vieni nel tubo, in realtà non spiega la propulsione. Ci sono altre due
ipotesi diverse: 1) l’acqua che esce ha velocità maggiore di quella che entra; 2) l’acqua viene
aspirata in tutte le direzioni e viene espulsa solamente nel senso inverso di marcia. Si
avrebbe dunque un effetto di reazione di marcia avanti all’espulsione e un effetto reattivo di
marcia indietro all’aspirazione.
Il rumore pop-pop viene prodotto dalla membrana, appositamente per creare un effetto
acustico che ricorda il motore a scoppio.
Seconda spiegazione, tratta dal secondo sito citato.
Consideriamo per semplicità uno solo dei tubi, e la barchetta come un corpo di massa M
inizialmente fermo che si possa muovere praticamente senza attrito nell’acqua; quest’ultima
ipotesi è molto plausibile date le basse velocità in gioco. Ad ogni ciclo (riscaldamento –
vaporizzazione - espulsione dell’acqua – condensazione del vapore – risucchio di altra
acqua) viene risucchiato in uno dei tubi un cilindretto di acqua: diciamo una massa m di
acqua molto più piccola della massa della barchetta. Seguiamo le vicende di quel cilindretto:
vi sono tre fasi.
Prima fase: le due masse sono ancora separate.
Seconda fase: il cilindretto di acqua entra nel tubo e scorre in esso verso la caldaia. La
chiave per comprendere cosa succede è il fatto che il baricentro del sistema cilindrettobarchetta deve restare fermo: questo è un altro modo di esprimere il principio della
conservazione della quantità di moto di un sistema isolato. In questa fase la barca si
muoverà all’indietro, e continuerà a muoversi durante tutto il tempo nel quale l’acqua,
scorrendo nel tubo, si muove verso la caldaia, in modo che il baricentro del sistema resti
fermo.
Terza fase: il cilindretto di acqua arriva nella caldaia e lì si ferma. A questo punto l’impulso
dell’acqua che viene comunicato alla caldaia ferma la barca: l’energia cinetica dell’acqua
viene spesa per fermare il moto all’indietro della barca.
Se la barca è in movimento, nulla cambia. La condizione precedente diventa: il baricentro
del sistema deve conservare lo stesso stato di moto.
Ma allora: perché il motoscafino ha un moto netto verso l’avanti? Risposta: a bordo della
barca vi è una fonte di energia. L’energia termica della fiamma si trasforma in una “spinta”
dell’acqua verso l’esterno con una quantità di moto (una velocità) molto maggiore della
quantità di moto diretta in senso contrario (una velocità) che si ha nella fase di aspirazione
vista sopra.
In realtà, se si trattiene con una mano, fermo nell’acqua, il motoscafino mentre il motore sta
funzionando, si sente un leggero tremolio con una debole componente all’indietro. La
massa dell’acqua aspirata ad ogni ciclo è di gran lunga minore della massa della barca.
Vendita motoscafini via rete:
http://www.laboutiqueduperenoel.com/jouetsdecollection/jouets-de-collection_4.php
3) Un pezzetto circolare di sughero viene posto sulla superficie dell’acqua che si trova in un
contenitore. Si nota che il sughero si attacca alle pareti, in qualsiasi posizioni lo abbiamo
posto. Tuttavia, se si riempie di acqua il
contenitore fino all’orlo, facendola quasi
traboccare, si osserva che il pezzo di
sughero non si muove più verso le pareti.
Se il contenitore è circolare, il sughero si
posiziona al centro. La spiegazione è la
seguente. Nel primo caso (contenitore non
pieno), la tensione superficiale “tira” il
sughero verso la parete (e la parete verso il sughero). Il menisco che esiste sia sul sughero
che sulla parete (poiché l’acqua li bagna entrambi) tende a farli avvicinare reciprocamente,
quindi il sughero si attacca alla parete. La stessa cosa accade fra due sugheri vicini: si
avvicinano fra loro fino a toccarsi. Nel secondo caso (contenitore pieno fino all’orlo),
l’acqua vicino alla parete non crea un menisco come quello di prima, anzi la superficie
dell’acqua è convessa. Il sughero non viene quindi più tirato verso il bordo. Se il contenitore
è circolare, il sughero si posizione nel centro per ragioni di simmetria. (si veda ad esempio:
Fleury, Mathieu: Meccanica fisica, pp.365-66, Zanichelli1963; oppure si veda anche Charles
Boys, Le bolle di sapone, ed. Zanichelli1982, pag. 29-31).
4) Con un sistema di cannucce si può far
osservare come la pressione dell’aria in
una bolla di raggio piccolo sia maggiore di
quella esistente in una bolla di raggio più
grande. La struttura da costruire è la
seguente. Una parete di una cannuccia
viene forata verso le due estremità e al
centro. Si inseriscono nei fori alle
estremità due pezzetti di un’altra
cannuccia; al centro si inserisce un pezzo
di cannuccia grande abbastanza per tenere
in mano la struttura e per soffiarci dentro.
Si immergono i due pezzetti piccoli in una
soluzione saponosa, si soffia e si
producono della bolle di sapone. Fare in modo da produrne prima una e poi l’altra, in modo
da ottenere due bolle di grandezza diversa. Ora si trappa il foro da cui abbiamo soffiato e si
osserva quale delle due bolle si sgonfia e quale si gonfia: si vede che, contrariamente
all’intuizione, la più piccola si sgonfia, mentre l’altra aumenta di volume. Questo si può
spiegare solamente ammettendo che l’aria all’interno della bolla piccola si trova a pressione
maggiore dell’aria che si trova nell’altra bolla. La pressione è infatti inversamente
proporzionale al raggio (legge di Laplace: Po-Pi = 4T/R, dove Po = pressione esterna, Pi =
pressione interna, T = tensione superficiale, R raggio della bolla).
Si può consultare il sito hyperphysics, alla pagina http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/hframe.html, e il libro di Charles Boys, Le bolle di sapone, ed.
Zanichelli1982, pag. 45-48).
5) Torcia a LED. È interessante notare la differenza con gli altri tipi di lampadina. Innanzitutto
la torcia a LED ha una vita media altissima (circa 50000 ore contro le 6-7000 ore per la
lampada a basso consumo e le 1000 ore della lampada a filamento). Inoltre, il rendimento è
anche molto diverso (8-10% per le lampade a filamento, 70% ca. per le lampade a basso
consumo e per i LED). Infine, il meccanismo di emissione della luce è diverso dagli altri
tipi di lampade; il LED si basa sull’emissione di luce nella giunzione PN di un diodo. La
luce emessa dai primi LED era solo rossa, gialla e verde. Un LED blu è stato
successivamente ottenuto grazie all’impiego di nitruro di gallio. Così, sommando
opportunamente i tre colori rosso, verde e blu, è possibile ottenere luce bianca o di altri
colori.
Il limite dei LED per l’illuminazione domestica è la quantità di luce emessa (flusso
luminoso espresso in lumen) che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si
attesta intorno ai 120 lm ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen. Una
lampadina ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen. Inoltre
i LED più luminosi sono ancora quelli a luce fredda con resa cromatica relativamente
bassa. I vantaggi del LED:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore)
assenza di costi di manutenzione
elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene)
luce pulita perché priva di componenti IR e UV
facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica
flessibilità di installazione del punto luce
colori saturi
possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)
accensione a freddo (fino a -40°C) senza problemi
insensibilità a umidità e vibrazioni
assenza di mercurio
funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24
Vdc)
(si veda il sito: http://it.wikipedia.org/wiki/LED)
6) macchina a reazione: si tratta di un modellino di automobile al quale è stato applicato un
palloncino gonfiabile. Quando il palloncino si sgonfia, la macchina parte per il principio di
azione e reazione.
7) Sintesi additiva dei colori. Un modo
semplice, chiaro e divertente per osservarla,
consiste nel porre su una lavagna luminosa
(del vecchio tipo, con l’illuminazione da
sotto), tre filtri di colore rosso, verde e blu.
Si intercetta la luce che attraversa i tre filtri
con due (o tre) specchi e la si proietta su un
muro bianco. Inclinando opportunamente gli
specchi è possibile far sovrapporre due
oppure tre colori. Si possono così osservare
dei colori completamente diversi da quelli di
partenza, e cioè giallo, magenta e
ciano.(sovrapponendoli due a due), oppure
bianco (sovrapponendoli tutti e tre.
8) Animali che si fermano al bordo del tavolo: un
oggetto (di solito a forma di animale), con le
zampe libere di oscillare, viene tirato lungo il
piano di un tavolo, grazie ad un pesetto appeso a
un filo che pende dal bordo. Quando l’animale si
trova sul bordo del tavolo, si ferma. In questo
punto, infatti, il filo diventa verticale e quindi non
può più vincere l’attrito che si oppone al moto
dell’animale.
9)
10) Polarizzazione della luce: due polaroid
vengono disposti sulla lavagna luminosa e la
luce trasmessa da essi viene proiettata su un
muro. Uno dei due viene ruotato finchè è posto perpendicolarmente all’altro. Si osserva che
la luce, la cui intensità diminuisce via via, si annulla quando i polaroid sono incrociati.
Interponendo fra i due polaroid incrociati un vetrino da microscopio sul quale è stato
incollato del nastro adesivo in vari strati, si osserva che dal polaroid analizzatore esce luce di
colore diverso, a seconda del numero di strati attraversati. In effetti, il polaroid analizzatore
può bloccare anche completamente un dato colore, e man mano che si ruota l’analizzatore, i
colori che attraversano le varie zone sono diversi.
(Si veda: V. Zanetti, Una bambola che cambia colore, La fisica nella scuola, XXXI, 3,
1998)
Fogli polaroid si possono acquistare on-line, vedere la pagina:
http://www.3dlens.com/shop/polarizer.php
11) Papero bevitore. La novità consiste nel fatto che, per far
oscillare il papero, anziché raffreddare la testa, si può
aumentare la temperatura della sua base. Ciò si ottiene
colorando di nero la base e illuminandola con un faretto, ad
es. da 40 W.
Per una spiegazione completa, si veda I giocattoli e la
scienza, La fisica nella scuola, Quaderno n°4, 1993.
12) Le ombre colorate. Come fare: ( istruzioni e immagini
tratte dal sito: http://www.anisn.it/scuola/strumenti/visione/index.htm
1. Ponete le lampadine tutte alla stessa distanza dalla parete e in modo che tutte proiettino la
loro luce sulla schermo;
2. Una volta accese, regolate la loro posizione in modo da ottenere sulla schermo un colore più
bianco possibile;
3. Oscurate perfettamente la stanza;
4. Interponete un oggetto opaco fra lo schermo e le lampadine in modo che esso sia abbastanza
vicino allo schermo
5. osservate i colori dell'ombra che questo proietta; muovete l'oggetto per verificare se l'ombra
che esso proietta cambia colore
ripetete i punti 4 e 5, spengendo alternativamente una delle tre lampade e osservate se
intervengono cambiamenti di colore nelle ombre
Il colori risultanti sono dati dalla sovrapposizione dei colori secondala sintesi additiva. Il
principio è il medesimo di quello illustrato nell’esperimento n°8.