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Università degli studi di Trento
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
Corso di aggiornamento “Il Tè degli Insegnanti”
area FISICA - classi A038 e A049
per l’anno scolastico 2008/09
prof. Gabriele Calzà
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Promosso dall’Università degli Studi di Trento
a cura del Laboratorio di Comunicazione delle Scienze Fisiche “λCOSФ”
con la collaborazione del Liceo “Galilei” di Trento
e del Museo Tridentino di Scienze Naturali
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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Università degli studi di Trento
ESP. 5/A
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
5. TERMODINAMICA
a) “MOTORE DI STIRLING”
Motore di Stirling artigianale: questo modello
genera un movimento di tipo alternato.
Materiali: - Una provetta di vetro di circa 17 ÷ 18 mm di diametro interno e circa 18 cm di lunghezza
- 4 o 5 biglie di vetro (che possano scorrere nella provetta senza incastrarsi)
- un tappo di gomma bucato nel centro e che faccia tenuta sulla provetta
- un tubetto di gomma morbida lungo 5 ÷ 6 cm e sezione di circa 5 mm, e un raccordo per il tappo
- una siringa di vetro da 5 cc
- un pezzetto di paglietta metallica fine (del tipo per i piatti)
- un paio di elastici di medie dimensioni
- aste di supporto, fissabili verticalmente su una base orizzontale
- un fornello a spirito o altro equivalente
Attrezzatura: - (facoltativa) forbice da elettricista
Procedura (tempo stimato 1 ora)
- Montare verticalmente le aste sulla base, in modo che formino una struttura rigida;
- strappare un pezzetto di paglietta (pochi cm3) e spingerlo in fondo alla provetta: attenuerà l’urto delle biglie;
- inserire le biglie nella provetta, tappare col tappo di gomma e infilare il raccordo;
- collegare tappo e siringa con il tubetto, in modo che il collegamento faccia tenuta;
- attorcigliare un elastico attorno alla provetta come perno e sospenderla fra le aste in modo che possa basculare;
- fissare con un secondo elastico il pistone della siringa alla base, in modo che l’angolo siringa-provetta sia ottuso;
- regolare l’altezza della provetta e il punto d’appoggio della sitringa in modo che, a siringa chiusa, le biglie
restino appoggiate al tappo;
- posizionare e accendere il fornello, sistemandolo in modo che la fiamma lambisca la zona “vuota” della provetta:
dopo qualche decina di secondi, il motore dovrebbe entrare in funzione, oscillando su e giù.
NOTA - Per un buon funzionamento è necessario regolare con cura l’altezza della provetta rispetto alla siringa e
la posizione del baricentro rispetto al perno. È possibile, inoltre, che dopo un certo tempo di funzionamento
ininterrotto il motore s’inceppi, arrestandosi in una posizione intermedia: questo perché riscaldandosi la
provetta omogeneamente, si annulla la differenza di temperatura fra due termostati e la resa scende a zero.
Funzionamento
La fiamma riscalda l’aria, che si dilata e preme sullo stantuffo della siringa (le biglie non fanno tenuta); la siringa si
estende sollevando la provetta, finché ad un certo punto le biglie scivolano in avanti occupando la zona calda e
spostando l’aria in quella più fredda: qui l’aria perde calore, diminuisce la sua pressione e di conseguenza la
siringa si accorcia1; conseguentemente la provetta si riabbassa e le biglie ricadono nella posizione iniziale: l’aria si
trova così di nuovo nella zona calda, dove torna a dilatarsi e il ciclo ricomincia.
Il ciclo descritto è in buona approssimazione quello di Stirling: espansioni e contrazioni isoterme, e trasferimenti
isocori da un termostato all’altro.
AVVERTENZA - Prendere le dovute precauzioni per l’uso di fiamme libere.
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Vale forse la pena notare che lo stantuffo si ritira perché spinto dalla pressione esterna, e non perché “tirato” dalla
contrazione interna - ricordiamo infatti che un gas non può tirare parti di se stesso (come fosse una corda...), dato che le
molecole non sono legate fra loro e possono solamente urtarsi e sempre spingersi (almeno nel modello di “gas perfetto”).
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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Università degli studi di Trento
ESP. 5/B
Museo Tridentino di Scienze Naturali
Lic. Sc. “Galilei” di Trento
5. TERMODINAMICA
b) “MACCHINA DI ERONE”
Macchina di Erone aperta (sinistra), e in azione (destra)
Materiali: - un barattolo metallico o una lattina, con un coperchio a tenuta (tipo del caffè, ad esempio)
- un tubo metallico di circa 4 mm di sezione e lunghezza circa 30 cm
- filo sottile e robusto
- silicone o un sigillante resistente alle alte temperature
- un’asta e del filo sottile (anche da pesca), per appendere il barattolo
- acqua
- fornelletto a gas
Attrezzatura: - seghetto per il ferro o trapano con punta da 3 mm
- pinze
- forbice
Procedura (tempo stimato 1,5 ore.)
- Forare il barattolo in alto sul fianco con due buchi diametralmente opposti, adatti ad infilarci il tubo metallico;
- ricavare col trapano o col seghetto un’apertura di qualche centimetro di lunghezza in centro al tubo, senza
comprometterne la rigidità: l’apertura dovrà risultare completamente contenuta all’interno del barattolo;
- infilare il tubo nei fori, centrarlo in modo che sporga circa 10 cm da ogni lato, e sigillare le fessure accuratamente;
- piegare ad angolo retto le due estremità finali del tubo, in modo che giacciano su un piano parallelo alle basi;
- strozzare, ma non completamente, i fori di uscita del vapore;
- fissare un filo al centro del coperchio, e appendere il barattolo in modo equilibrato.
Funzionamento
Riempire il barattolo con 1 o 2 cm di acqua e chiuderlo bene; appenderlo con il filo in modo che possa ruotare su
se stesso (al limite anche attorcigliandosi), e accendere sotto di esso la fiamma.
Non appena l’acqua entrerà in ebollizione, il vapore fuoriuscirà in pressione dai fori stretti e piegati: in accordo
con il III principio della dinamica (azione-reazione), sul barattolo si esercita una coppia, che imprime la rotazione.
Volendo è possibile dotare i barattolo di un dispositivo per modificare il suo momento di inerzia, e sperimentarne
gli effetti sull’accelerazione.
AVVERTENZA - Fare attenzione che non si esaurisca l’acqua nel barattolo, a fiamma accesa - Prendere le
dovute precauzioni per l’uso di fiamme libere.
prof. Gabriele Calzà
Costruzione di oggetti didattici nell’insegnamento della fisica
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