Strabilianti prodezze: sperimentare con l’acqua Teach article

Come fa l’aria a trattenere l’acqua in un bicchiere capovolto? Perchè l’acqua rimane all’interno di una bottiglia bucata sul fondo? Scopritelo con questi divertenti esperimenti.

Sin dai primi anni di vita, ai bambini così come agli studenti più grandicelli piace giocare con l’acqua. In questa serie di esperimenti, ci focalizzeremo su quelle forze importanti quando si ha a che fare con l’acqua, dimostrando alcuni principi base della scienza – con dei risultati sorprendenti. Tutti gli esperimenti possono essere effettuati in sicurezza sia a casa sia a scuola, e necessitano solo di un oggetti domestici e tanta acqua.

Esperimento 1: il bicchiere capovolto

Figura 1: Bicchiere d’acqua capovolto. Come mai la carta rimane nella sua posizione?
L’ immagine è una cortesia di David Featonby

Molte persone si sono cimentate in questo esperimento, ma vi siete mai chiesti cosa succede realmente?

Materiale

  • Bicchiere d’acqua cilindrico
  • pezzo di carta sottile (abbastanza largo da coprire l’estremità aperta del bicchiere)

Procedimento

  1. Versare l’acqua nel bicchiere fino a quasi riempirlo.
  2. Posizionare il pezzo di carta sull’estremità superiore del bicchiere.
  3. Capovolgere il bicchiere con una sola mano, e con l’altra reggere la carta.
  4. Rimuovere la mano che sorregge la carta (figure 1).
  5. Notare cosa succede. La carta cade e l’acqua fuoriesce? Perché no

Discussione

Sorprendentemente, quando il bicchiere è capovolto, la carta e l’acqua rimangono in posizione. Come mai?

Considera le forze reagenti sulla carta. Queste sono:

  • la gravità, dovuta al peso della carta stessa (diretta verso il basso)
  • la gravità, dovuta al peso dell’acqua che preme sulla carta (diretta verso il basso)
  • pressione dell’aria, che preme sulla superficie esterna del bicchiere e della carta, perpendicolare alla superficie della carta (generando così una forza diretta verso l’alto nel punto in cui c’è solo acqua sulla carta)

Dunque in questo esperimento, la forza della pressione dell’aria è diretta verso l’alto, sulla carta all’estremità superiore del bicchiere, contrastando la forza di gravità e mantenendo l’acqua nel bicchiere.

Approfondimento: stimare le forze dirette verso l’alto e verso il basso.

Come possiamo sapere che la forza verso l’alto della pressione dell’aria è sufficiente per opporsi alla forza di gravità, a mantenere l’acqua nel bicchiere? Queste forze possono essere stimate abbastanza facilmente.

Il peso della carta è molto inferiore a quello dell’acqua, quindi per semplificare si può ignorare il peso della carta stessa. Ciò vuol dire che la forza di gravità diretta verso il basso e che agisce sulla carta è quella dovuta al peso della colonna d’acqua.

= h x A x ρ x g

h è il peso della colonna d’acqua, A è l’area della sezione trasversale del bicchiere, r  è la densità dell’acqua (1000 Kg/m3) e g è l’accelerazione gravitazionale (circa 10 m/s2).

Quindi se h è 10 cm (0.1 m) ed A è circa 25 cm2 (0,0025 m2), la forza verso il basso è pari a circa

0.1 x 0.0025  x 1000 x 10 = 2.5 N

Per quanto riguarda la forza diretta verso l’alto, questa è pari alla pressione atmosferica, P, moltiplicata per l’area su cui agisce, A.

La pressione atmosferica è circa 100000 Pa (pascal, o N/m2)

Quindi la forza che agisce verso l’alto sulla carta è = P x A

= 100 000 x 0.0025 = 250 N

Pertanto per una colonna d’acqua di 10 cm, la forza diretta verso l’alto, esercitata dall’atmosfera sulla carta, supera di gran lunga la forza di gravità sulla carta dovuta all’acqua.

Si deve tenere a mente che l’aria sovrastante l’acqua assume un ruolo significativo. Se si rimanesse alla pressione atmosferica, il peso dell’acqua sarebbe stato sufficiente a rimuovere la carta, ma, non appena l’acqua esercita una pressione verso il basso sulla carta, si riduce la pressione dell’aria, facendo si che la pressione atmosferica diretta verso l’alto sulla carta possa sopportare l’acqua. Un cambio di volume dell’aria pari a  1/100 basta per bilanciare l’acqua,  i.e, la pressione si riduce del  1/100esimo che è equivalente alla pressione dell’acqua.

Ulteriori esperimenti

Pensate anche alle seguenti domande e magari effettuate altri esperimenti per rispondere ad alcune di esse:

  • Questo esperimento funziona se il bicchiere è colmo d’acqua?
  • Come il rapporto aria ed acqua cambierebbe il risultato dell’esperimento?
  • L’esperimento funzionerebbe lo stesso, indipendentemente dall’ altezza del bicchiere?
  • Quali altre forme di contenitori (ad esempio bottiglie) possono essere utilizzate?

Esperimento 2: la pelle invisibile dell’acqua

In questo esperimento, scopriamo come le forze di coesione dell’acqua formano una sorta di ‘pelle’ invisibile che trattiene il liquido in una tazza capovolta, a volte.

Materiale

  • Bicchiere di carta
  • Pezzo di tessuto in nylon sottile (largo a sufficienza per coprire l’estremità aperta del bicchiere)
  • elastico
  • pezzo di carta sottile (ampio abbastanza per coprire la parte aperta del bicchiere)

Procedimento

  1. Coprire l’estremità aperta del bicchiere con un tessuto di nylon (figura 2, sinistra)
  2. Far aderire bene il tessuto e fissarlo con l‘elastico(o incollarlo lungo il bordo del bicchiere)
  3. Versare l’acqua nelbicchiere attraverso il tessuto in nylon, fino quasi a riempirlo.
  4. Posizionare la carta sul nylon e sull’apertura del bicchiere.
  5. Capovolgere il bicchiere.
  6. Cosa notate: l’acqua dovrebbe rimanere nel bicchiere, come nell’esperimento 1.
  7. Adesso attentamente rimuovere la carta. L’acqua fuoriesce attraverso il tessuto di nylon? Se no, perché? L’acqua è stata versata attraverso il tessuto, quindi come mai non fuoriesce attraversandolo di nuovo?
  8. Per fare fuoriuscire l’acqua, rigirare velocemente di nuovo il bicchiere verso l’alto, poi sollevarlo lentamente premendo sul nylon (figura 2, destra).
Figura 2: a)Bicchiere di carta con tessuto di nylon lungo l’apertura. b) Fuoriuscita dell’acqua dalla tazza.
L’ immagine è una cortesia di David Featonby

Discussione

Il motivo per cui l’acqua non fuoriesce attraverso i piccoli pori del nylon risiede proprio nelle forze di coesione che si instaurano tra le molecole d’acqua. Queste forze trasformano la superficie dell’acqua in una sorta di ‘pelle’ tra i piccoli fori del tessuto di nylon. Questo fenomeno è noto come tensione superficiale, ed è lo stesso principio che permette di rimanere asciutti sotto un ombrello di nylon: ci sono piccoli pori nel tessuto, ma la pioggia non passa a causa delle forze di coesione della tensione superficiale tra le molecole d’acqua.

Ulteriori esperimenti

Ci sono tanti altri esperimenti da fare sfruttando la tensione superficiale e la coesione molecolare. Magari potete cercare su internet ‘esperimenti sulla tensione superficiale’ e scoprire altre attività.

Di seguito altri due esperimenti con cui cimentarsi.

Barca con graffette

Prendere un piatto di acqua pulita ed una graffetta. Avvolgere la graffetta in una striscia di carta assorbente ed immergerla nell’acqua. Lasciare che la carta affondi o sommergerla attentamente con uno stuzzicadenti. La graffetta sembrerà galleggiare ma in realtà è sorretta dalla tensione superficiale.

Che cosa altro potete far ‘galleggiare’ – ad esempio, un anello di una lattina? Che cosa succede alla graffetta se si aggiunge una goccia di detersivo per piatti all’acqua? Come spieghereste ciò che vedete?

Questo fenomeno può anche essere usato per fare delle ‘barche di sapone’.

Getti d’acqua

Prendere un lattina vuota e pulita, una tazza di plastica, una bottiglia e fare tre piccoli fori ravvicinati, vicino alla base. Riempire la lattina con acqua, e quando i tre getti fuoriescono, usare le dita per provare ad unire i getti insieme. Potrete farlo proprio per le forze di coesione tra le molecole d’acqua.

Un altro esperimento divertente per dimostrare la coesione è versare l’acqua lungo una corda.

Esperimento 3:  Acqua imbottigliata

Queste attività richiedono una semplice bottiglia d’acqua per mostrare alcuni fenomeni soprendenti dovuti alla tensione superficiale e alla gravità. Conviene farli all’aperto perchè è molto probabile che l’acqua fuoriesca (figura 3).

Materiale

  • Bottiglia di plastica (250ml) con tappo a vite.
  • Ago o chiodo grandi

Procedimento

Con ago o  chiodo riscaldati su fiamma (usata in sicurezza) per essere abbbastanza caldi  da sciogliere la plastica, creare uno (o più) fori molto piccoli sul fondo della bottiglia di plastica. A scuola, per sicurezza, l’insegnante dovrebbe farlo in anticipo.

  1. Per divertimento, potete aggiungere l’etichetta “Non Aprire” – e vedere se la gente ignora il messaggio.
  2. Rimuovere il tappo, ripempire rapidamente l’acqua, mantenendo il vostro dito sul foro, e richiudere con il tappo.
  3. Mantenere ferma la bottiglia (o passarla a qualcuno altro) con il tappo chiuso. Cosa succede all’acqua?
  4. Se l’avvertimento viene ignorato e la bottiglia viene aperta, che succede?
Figura 3: Una bottiglia d’acqua piena, con fori vicino al fondo. Cosa succede se si ignora l’avvertimento?
L’immagine è una cortesia di David Featonby

Discussione

Una volta che un contenitore è chiuso, l’acqua uscirà da un piccolo foro solo se quell’acqua potrà essere sostituita con aria o altra acqua. Una bottiglia con un piccolo foro può quindi trattenere acqua se il tappo è chiuso. Quando il tappo è svitato, l’acqua uscirà, a causa del peso dell’acqua. Il foro deve essere sufficientemente piccolo affinché le forze di superficie mantengano l’acqua.

Ulteriori esperimenti

Un altro esperimento interessante da fare con una bottiglia piena d’acqua ed un foro vicino al fondo è: cosa succede quando si lancia la bottiglia in alto e la si riprende?

Se si riempe la bottiglia con acqua e con il tappo svitato per pochi secondi (figura 4), l’acqua uscirà dal foro.

Figura 4: Mantenendo la bottiglia con un foro sul fondo, un getto d’acqua fuoriesce.
L’immagine è una cortesia di David Featonby

Ora lanciare la bottiglia in aria (figura 5), e osservare attentamente la sua caduta. Osservare ogni parte della traiettoria – verso l’alto, all’apice del volo, e verso il basso.

Figura 5: Bottiglia d’acqua lanciata in aria, in caduta libera. Perchè non fuoriesce acqua?
L’immagine è una cortesia di David Featonby.

Quando l’acqua è in caduta libera (ad esempio in discesa), l’acqua cesserà di uscire dalla bottiglia. Questo perché l’acqua all’interno della bottiglia peserà meno della bottiglia stessa, visto che la bottiglia e il suo contenuto sono in caduta libera. Quindi, in questo caso il peso dell’acqua non la spinge all’esterno della bottiglia.

Tale fenomeno può esere dimostrato con un tubo cavo pieno d’acqua (di circa 50 cm, con un diametro che può facilmente essere coperto con un dito). Il fondo del tubo è coperto con una mano mentre viene lanciato in aria, con questa mano che esercita la forza lanciante e l’altra che regge il tubo. Comunque, questo può essere un po’ difficile da dimostrare perché è essenziale che la mano che copre il tubo sia l’ultima a lasciarlo andare quando il tubo è lanciato in aria e la prima a toccarlo quando lo si riafferra nuovamente, per evitare di accelerarre/decelerare il tubo senza la colonna d’acqua.

Si può provare a rispondere anche a questi quesiti finali:

  • Cosa succede all’acqua quando la bottiglia è lanciata verso l’alto? Potete spiegarlo?
  • Se si prova ad afferare la bottiglia, che cosa succede all’acqua? Potete spiegarlo?
  • Che cosa altro potete lanciare in aria affinché ci sia una differenza fra la sua caduta libera e lo stato stazionario? Suggerimento: Si pensi a giocattoli o strumenti che funzionano per gravità, in cui ad esempio particelle o parti mobili o liquidi cadono attraverso uno spazio vuoto.

Resources

  1. Featonby D (2017) Fantastic feats. Science in School 39:45–47
  2. Featonby D (2018) Further fantastic feats: falling and bouncingScience in School 43:37–54
  3. Featonby D (2019) Fantastic feats: magic with moneyScience in School 47:46–50

Author(s)

David Featonby ha insegnato fisica in un grande istituto comprensivo del Regno Unito, ed ora condivide le sue idee in tutta Europa attraverso l’organizzazione Science on Stage, di cui è membro del consiglio, aiutando ad organizzarne le attività. Ha presentato dei workshop in vari paesi europei e scritto articoli sia per Science in School sia per Physics Education, inclusa anche una serie periodica What Happens Next? Davide è interessato ad insegnare la fisica a tutte le età attraverso esperimenti con strumenti usati qutidianamente.


Review

Queste semplici esperienze illustrate nell’articolo, facilmente riproducibili usando materiale facilmente reperibile, permettono agli studenti di familiarizzare con la tensione superficiale e la pressione nei liquidi.
L’autore, inoltre, sfruttando il “lato magico” di alcuni esperimenti, li rende più interessanti e adatti ad un pubblico comune.
Questo articolo offre la possibilità di collegarsi a tematiche di biologia, come la respirazione polmonare ( e come la natura sfrutta il surfattante polmonare per diminuire la tensione superficiale), la capillarità nelle piante, e come la tensione superficiale permette agli insetti di camminare sull’acqua.


Maria Teresa Gallo, Insegnante di matematica e scienze, Italia




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