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Risultati della sfida del ponte
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Costruire ponti: come fanno le strutture a rimanere in piedi? Teach article
Ancora in piedi: vi siete mai chiesti come fanno gli edifici a rimanere in piedi? O perché a volte cadono? Esploriamo questo argomento attraverso i ponti, dalla costruzione alla caduta.
Gli studenti apprenderanno il concetto di equilibrio e come trovare il baricentro delle figure piane. Impareranno inoltre come progettare un ponte per creare una struttura robusta.
L’attività inizia con un’ esperienza individuale sull’equilibrio e poi si sviluppa in un lavoro di gruppo per costruire un ponte.[1]
Questo progetto è adatto a studenti dagli 11 ai 14 anni, anche se la seconda parte potrebbe essere utilizzata anche con studenti più grandi.
Attività 1: Cercando l’equilibrio
Per cominciare, gli studenti, in palestra o in classe, scattano una foto di loro stessi in una particolare posizione di equilibrio. Usando bastoncini, cartone, o altri materiali facilmente accessibili, devono provare a ricreare la posa assunta in foto.
Dopo questa prima esperienza, gli studenti proveranno a trovare, sperimentalmente, il centro di gravità (G) di diverse figure piane, iniziando da un rettangolo di cartone, sul quale, dopo aver identificato il punto G, attaccheranno con la colla pezzi di cartone su uno dei vertici, modificando la massa della figura.
Infine, l’insegnante proporrà di trovare il baricentro di figure piane irregolari con le quali gli studenti tenteranno di riprodurre l’esperimento.
Questa attività richiederà 2-3 ore.
Note per la sicurezza
Usare forbici dalle punte arrotondate e svolgere la prima attività lontano da ostacoli.
Materiali
- Cartone (240 g m-2)
- Colla
- Forbici
- Smartphone
- Matita
- Righello
- Bastoncini, cannucce o altro materiale riciclato
Procedimento
- Nella palestra della scuola o a casa, fate una foto di voi stessi in una posizione di equilibrio.
- Ricreate la vostra posa usando bastoncini, cannucce o altro materiale riciclato, in modo che il modello possa stare in piedi.
- Prendete un pezzo di cartone.
- Tracciate le verticali per identificare il baricentro (G).
- Aggiungete alcuni pezzi di cartoncino (minimo 4) su uno dei 4 vertici.
- Seguite lo step 3 e verificate se la posizione di G cambia.
- Create una figura piana irregolare da un altro pezzo di cartone e ripetete le istruzioni dei punti 2 e 3.
Risultati
È stato più difficile trovare l’equilibrio con il vostro corpo o con il modellino? Cosa fa cambiare la posizione di G nel modello di cartone?
Discussione
L’attività consente agli studenti di comprendere i concetti base del baricentro e della variazione di massa senza usare formule fisiche, che non sono ancora presenti nel programma didattico degli studenti più giovani.
Passo dopo passo, gli studenti diventano sempre più consapevoli di quello che stanno imparando e possono cimentarsi con modelli sempre più complessi.
In questa attività, gli studenti se sbagliano a trovare il baricentro G, possono provare e riprovare finché non trovano quello giusto, sia sul modellino che sul modello di cartone.
Attività 2: Costruire e far cadere un ponte
Con la progettazione, costruzione e prova di crollo di un ponte, la classe sperimenta la perdita di equilibrio di una struttura complessa. A tale scopo, nella prima lezione, l’insegnante introduce il diagramma delle forze in modo elementare utilizzando semplici modelli geometrici. Poi l’insegnante illustra i differenti tipi di ponti con particolare riferimento a quelli reticolari e sospesi. Alla fine di questa prima lezione, la sfida viene lanciata e l’insegnante suddivide la classe in gruppi di lavoro. Durante le successive lezioni, gli studenti progettano e costruiscono i loro ponti scegliendo autonomamente forma e materiali. L’attività si conclude con un test di carico sulle strutture e termina con una riflessione finale su come i ponti si rompono.
Questa attività richiede 2 ore di lezione (introduzione e test finale) e fino a 8 ore di lavoro (progettazione e realizzazione dei ponti).
Note per la sicurezza
Rischio di ustioni con la colla a caldo: richiesta la supervisione di un adulto. Si possono usare in alternativa nastro adesivo o colla per legno a seconda del tipo di ponte progettato.
Per utilizzare taglierini e colla a caldo si devono usare guanti antitaglio.
Materiali
- Colla a caldo o adesivi alternativi (vedi informazioni di sicurezza)
- Taglierini
- Forbici
- Smartphone
- Spiedini di legno, bastoncini di gelato o altro materiale rigido
- Matita
- Righello
- Diari scolastici, libri o altri pesi
- Cinghie per appendere i pesi se necessario
Procedimento
- L’insegnante introduce il concetto di equilibrio delle forze fornendo qualche esempio su forme triangolari o rettangolari. Poi chiede agli studenti di riflettere sul modo in cui ciascuno dei due modelli si piega sotto pressione.
- Per arricchire l’attività, si suggerisce di organizzare una breve lezione sui modi più comuni di costruire un ponte. Si possono trovare link adatti nella sezione risorse.
- Una volta completata l’introduzione, l’insegnante dà inizio alla sfida di costruzione: gli studenti devono costruire un ponte lungo 80 cm usando materiali di loro scelta. Ogni ponte sarà poi inserito tra due banchi e sottoposto ad un carico di diari scolastici. I parametri di valutazione saranno la resistenza della struttura, il suo peso e la coerenza costruttiva rispetto ai materiali scelti.
- La classe viene suddivisa in gruppi (max 4 studenti per gruppo). Ogni gruppo documenta, fase dopo fase, lo sviluppo del progetto usando foto e disegni del proprio lavoro.
- Progetto, costruzione e documentazione del ponte. Durante questa fase, l’insegnante funge da guida per i vari gruppi, non interferisce con le loro scelte, ma li aiuta quando gli viene richiesto. In particolare, l’insegnante controlla che i materiali scelti siano coerenti con la tipologia di costruzione adottata dal gruppo, prima che inizino la costruzione.
- Quando tutti i gruppi hanno concluso il lavoro, viene loro richiesto di disegnare una copia in scala del loro ponte: gli studenti lo misurano, e basandosi sul foglio che hanno a disposizione, aiutati dall’insegnante, scelgono la scala più adatta.
- Gli studenti presentano la loro creazione a tutta la classe. In questa fase condividono le foto e gli appunti presi durante tutto il processo.
- I gruppi sovraccaricano i loro ponti e aggiungono il numero alla tabella dei risultati della classe.
- In seguito, ogni modello viene sottoposto ad un test di carico aggiungendo sul ponte diari scolastici o altri pesi. Il ponte deve essere posizionato su uno spazio vuoto di 80 cm e i diari devono essere appoggiati sopra o appesi alla parte inferiore del ponte. Il peso di rottura deve essere calcolato considerando il peso dei diari che il ponte ha sopportato prima di collassare.
- Alla fine del test si discutono i risultati con gli studenti. È utile registrare o fotografare ogni test per aiutare gli studenti a riflettere sul loro progetto.
Discussione
- Quanti diari sono serviti per far collassare il vostro ponte?
- I materiali scelti erano adeguati alla costruzione?
- La costruzione è collassata improvvisamente o hai notato prima qualche deformazione?
- Si sono rotte solo alcune parti o il ponte si è completamente distrutto?
- Il ponte si è ribaltato ed è caduto senza rompersi?
- La rottura è avvenuta in corrispondenza delle giunture o lungo gli elementi della struttura?
- Qual è la migliore sottostruttura da usare, triangoli, quadrati, ecc. e perché?
- Se poteste ripetere l’attività, come potreste migliorare il vostro progetto?
Conclusione
Alla fine di questa attività, gli studenti avranno avuto l’opportunità di essere coinvolti nel progetto con un’ esperienza diretta nella scelta dei materiali, nella costruzione del ponte e nella valutazione del carico di rottura.
Il disegno del ponte su carta consente agli studenti di riflettere sull’importanza del concetto di scala nel disegno tecnico.
Infine, la sfida in squadra sviluppa le soft skills come la capacità di lavorare in gruppo, la creatività e il pensiero critico.
Durante l’attività, l’insegnante è libero di entrare maggiormente nel dettaglio delle diverse parti della struttura, dedicando alcuni momenti collettivi di riflessione a partire dai modelli che gli studenti stanno costruendo.
References
[1] Salvadori Mario (2000) Perché gli edifici stanno in piedi. Bompiani, Milan 2000.
Resources
- Trovi qui informazioni sui principali tipi di ponti.
- Guarda un video più lungo dove un ingegnere spiega le caratteristiche principali dei diversi tipi di ponti e le forze coinvolte.
- Usa il simulatore PhET per imparare di più sull’equilibrio.
- Insegna la scienza delle leve con una attività divertente e interattiva: Bilišňanská M, Kireš M (2017) Balancing act: the physics of levers. Science in School 42: 49–55.
- Scopri le costruzioni bioniche e come le strutture biologiche possono essere applicate alle costruzioni di ingegneria: Wegner C et al. (2017) Bionic structures: from stalks to skyscrapers. Science in School 40: 12–16.
- Esplora la conservazione e il trasferimento di energia con le Macchine di Rube Goldberg: Ferguson S et al. (2022) Conservation and transfer of energy: project-based learning with Rube Goldberg machines. Science in School 56.
- Esplora i principi di forma e funzione in relazione all’adattamento evolutivo impegnandoti in progetti di biomimetica: Toro S (2021) Biomimicry: linking form and function to evolutionary and ecological principles. Science in School 52.
- Incoraggia i tuoi studenti a pensare come un ingegnere e a progettare l’ala di un aliante: Holligan B (2015) High flyers: thinking like an engineer. Science in School 34: 36–40.
- Scopri di più sulla visualizzazione dei dati disegnando grafici da “racconti” di vita quotidiana: Reuterswärd E (2022) Graphing stories. Science in School 58.
- Esplora il metodo che usano gli ingegneri quando scelgono i tessuti adatti alla costruzione di un paracadute: Miranda I (2023) How do materials science engineers choose fabrics for parachutes? Science in School 61.
Review
Questa è un’eccellente introduzione alla fisica utilizzata per risolvere un problema di ingegneria. Il problema viene scomposto in parti facili da seguire e da gestire. Ci sono moltissime occasioni per gli studenti di sviluppare alcune delle soft skills, di migliorare le capacità di presentazione e di migliorare le conoscenze scientifiche.
Il progetto è particolarmente adatto come attività di fine anno o di un club STEM e introduce una competizione tra i vari progetti. Questo può migliorare le abilità di valutazione degli studenti così come la capacità di imparare dai propri errori e da quelli dei compagni. È un bel progetto per sviluppare le capacità di lavorare in gruppo.
Mike Sands, consulente scientifico, UK
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