Titolo: Uova Kinder e la fisica?

E' probabile che la maggior parte delle persone si sono divertiti con le Sorprese della Kinder (Kinder Surprise® ) che si trovano nelle sue uova di cioccolato. I gusci di cioccolato di queste uova contengono una sorpresa, sotto forma di piccoli giocattoli di plastica inseriti in  contenitori di plastica a forma di uovo. Comunque, non tutti si possono rendere conto che i contenitori di plastica che sono all'interno delle uova possono essere utilizzati per realizzare semplici esperimenti di fisica. 

Gli esperimenti esposti qui, sono veloci e facile da realizzare e utilizzano dei materiali facilmente reperibili, e sfidano gli studenti a predire e spiegare i risultati. Questi possono essere utilizzati come sussidio agli insegnanti per le loro dimostrazioni o come esperimenti da assegnare a piccoli gruppi di studenti.  A seconda del livello delle spiegazioni che i docenti useranno in classe, le attività possono essere  somministrate a studenti di età varianti dai sette anni sino ai 16.

Un giocattolo che sta sempre-in-piedi

La forma delle uova di plastica può essere sfruttata per creare un giocattolo ben noto ai bambini, un bambolotto che sta sempre in piedi.

Materiali

• Un contenitore di plastica dell'uovo Kinder
• Plastilina (Plasticine®) o altro materiale che si può modellare
• Un piccolo, oggetto pesante come una sferetta di metallo o un piccolo magnete
• A scelta: matite e adesivi per decorare le uova

Procedura

1. Con la Plastilina fissare l'oggetto pesante sul fondo dell'uovo di plastica.
2. Chiudere l'uovo.
3. Decorate l'esterno dell'uovo (opzionale).

Spingere l'uovo: si dovrebbe rialzare facilmente poiché il suo centro di gravità si è abbassato in virtù dell'aggiunta di un peso.

Una dimostrazione del galleggiamento

Dimostrare come varia il comportamento al galleggiamento delle uova di plastica in relazione alla loro densità.

Materiali

• 3 contenitori di plastica delle uova Kinder
• Una scodella grande colma d'acqua
• Soluzione salina (NaCl, almeno al 3% (p/v)

Procedura

1. Riempire un ovetto di plastica con acqua distillata (per essere sicuri di riempirlo, immergere l'ovetto aperto nell'acqua e richiuderlo sempre tenendolo sott'acqua).
2. Riempire un altro uovo con una soluzione salina.
3. Tenete vuoto il terzo uvo, cioè pieno d'aria.
4. Sistemare le tre uova nella scodella con l'acqua e osservare il loro comportamento.

Un uovo galleggerà sulla superficie dell'acqua, un altro si posizionerà un po' al di sotto di quel livello, e il terzo affonderà. Presentate questo esperimento  agli studenti come un enigma – il loro compito è quello di spiegare i differenti comportamenti delle uova (figura 3). Gli studenti potrebbero impegnarsi in un ulteriore lavoro investigativo, sistemando un differente numero di monetine all'interno delle uova e registrando il livello di galleggiamento.

Cosa è successo

Risolvendo l'enigma, gli studenti scoprono all'inizio che le uova hanno un peso differente e quindi masse differenti. Poichè il volume delle uova è lo stesso, quindi dovrà essere la loro densità a causarne il differente comportamento. La densità più elevata appartiene all'uovo più pesante (quello riempito con acqua salata), e poiché la sua densità è maggiore della densità dell'acqua del recipiente, l'uovo affonda toccando il fondo. L'uovo riempito con acqua distillata ha approssimativamente la stessa densità dell'acqua, galleggerà poco al di sotto la superficie dell'acqua (poiché la plastica del contenitore è sufficientemente leggera per mantenerlo in quella posizione). In fine, l'uovo riempito d'aria ha la densità più bassa di quella dell'acqua, così galleggia sull'acqua.

Il moto misterioso di un uovo Kinder

Sollecitate i vostri studenti a pensare all'effetto dell'attrito all'interno dell'uovo di plastica.

Materiali

• Un contenitore di plastica dell'uovo Kinder
• Un filo da cucito in cotone o in nylon
• Una sferetta di acciaio con un foro al centro (o un guscio)
• Una piccola palla in legno o in sughero con un foro al centro
• Un piccolo tubo a gomito o una cannuccia in plastica, un po' più lungo dell'uovo di plastica 
• Un paio di forbici o un altro strumento adatto a perforare l'uovo di plastica

Procedura

Per preparare l'esperimento:

1. Fare due fori a entrambe le estremità dell'uovo di plastica.
2. Introdurre il filo attraverso un foro, quindi attraverso il tubo o la cannuccia per le bibite,  fatelo poi passare nell'altro foro (figura 4).
3. Chiudere l'uovo.
4. Attaccare la sferetta d'acciaio (o il guscio) a uno dei capi del filo e la sferetta di legno o quella di sughero all'altro estremo.

Per realizzare l'esperimento:

1. Chiedere ai vostri studenti di tenere la sferetta d'acciaio in mano e far penzolare l'uovo.
   • L'uovo scivola giù verso la sfera di legno o di sughero (figura 5A).
2. I vostri studenti dovrebbero ripetere l'esperimento, cambiando la posizione delle sfere così che tengano in mano la sfera di legno o di sughero.
   • Questa volta, l'uovo non si muove verso il basso ma resta in una posizione stabile lungo il filo (figura 5B)
3. Domandate ai vostri studenti di spiegare quello che osservano. Cosa sta succedendo all'interno dell'uovo?

Che cosa è successo

Quando la sferetta leggera di legno o di sughero pende al di sotto dell'uovo, il filo non è sottoposto ad alcuna tensione e vi è soltanto un lieve attrito tra filo e tubo (figura 4B), e l'uovo si muove con facilità. Se noi capovolgiamo completamente il sistema in modo che la sferetta d'acciaio penda verso il basso, il filo è sottoposto a una tensione significativa e pressa nell'angolo del tubo ricurvo (figura 4B); in questo modo la forza d'attrito aumenta significativamente tanto che l'uovo non può più muoversi.

Un effetto simile si può ottenere con altre modalità, e potrebbe essere interessante domandare ai vostri studenti quali potrebbero essere: creare lo stesso comportamento ma con un metodo differente.

Contro corrente

Dimostrare come una differenza di pressione possa far galleggiare l'uovo di plastica trovandosi contro corrente.

Materiali

• Un contenitore di plastica dell'uovo Kinder
• Un tubo lungo e trasparente chiuso ad un estremo, ad es. come un cilindro graduato. Il suo diametro dovrebbe essere leggermente più largo di quello dell'uovo di plastica
• Acqua

Procedura

1. Porre l'uovo vuoto nel tubo così che cada verso il fondo.
2. Iniziare a far scorrere l'acqua all'interno del tubo.
   • L'uovo  risale lungo il tubo.
3. Completare il riempimento del tubo con acqua, coprire l'estremità aperta con la mano e capovolgere sottosopra il tubo.
4. Tenere il tubo capovolto e togliere la mano, permettendo così all'acqua di fuoriuscire.
   • L'uovo, invece di uscire fuori dal tubo, galleggerà nell'acqua (figura 6).

Cosa succede

Una volta che il sistema è stato capovolto, l'acqua fluisce attorno all'uovo, trattenendo esternamente alla superficie mentre cade. Così l'uovo si trova completamente circondato dall'acqua. Al di sotto dell'uovo vi è la pressione atmosferica; al di sopra di esso, la pressione è diminuita di una quantità di acqua equivalente all'altezza dell'uovo. Quindi l'uovo è sottoposto ad una forza di spinta verso l'alto equivalente alla differenza di pressione. In altri termini, poiché l'uovo è circondato dall'acqua esso galleggerà.

L'uovo all'equilibrio

Dimostrare che spostando il centro di massa dell'uovo di plastica anche la posizione di equilibrio si sposta.

Materiali

• Un contenitore di plastica dell'uovo Kinder
• Un pennarello indelebile
• Un filo metallico sottile lungo circa 30 cm
• Un oggetto non assorbente, della giusta forma e dimensione in modo che possa essere inserito fermamente ad una estremità dell'uovo di plastica e con una densità maggiore di quella dell'aria e minore di quella dell'acqua (ad es. polistirene espanso)
• Un contenitore trasparente di acqua, ad es. un boccale graduato
• Un paio di forbici o un altro strumento appuntito in grado di perforare l'uovo di plastica
• Acqua

Procedura

Per preparare l'esperimento:

1. Usare il pennarello indelebile, segnare ciascun estremo dell'uovo (ad es. marcare con un piccolo cerchio un'estremità e con una croce l'altra estremità). (Se state usando il vecchio progetto dell'uovo Kinder, vedi figura 7, potrete utilizzare semplicemente due estremità di colore differente.)
2. Forare nel punto medio i due lati dell'uovo di plastica. Forare anche le due estremità dell'uovo di plastica.
3. Fissare l'oggetto non assorbente all'interno di una delle due semi calotte dell'uovo di plastica.
4. Far passare il filo metallico attraverso i fori e unire  le due estremità del filo metallico in modo da creare una specie di maniglia, quindi chiudere l'uovo.

Per realizzare l'esperimento:

1. Tenere l'uovo mediante la maniglia, annotare con quale segno è stata segnata l'estremità superiore (cioè, il cerchio o la croce).
2. Spingere l'uovo in modo che si metta a ruotare.
   • L'uovo ritorna nella sua precedente posizione, con la stesso segno alla sua estremità superiore.
3. Immergere l'uovo nel boccale graduato contenente dell'acqua.
   • Non appena l'acqua entra nell'uovo attraverso i fori, l'uovo si capovolge (figura  8).
4. Rimuovere l'uovo dall'acqua.
   • Mentre l'acqua fuoriesce dall'uovo, esso ritorna nella sua posizione originale.

Cosa succede

In aria, l'uovo si trova nella sua posizione di equilibrio con l'oggetto non assorbente posto nella metà inferiore dell'uovo: il centro di massa è al di sotto dell'asse di rotazione, il quale passa attraverso il perno. Così quando l'uovo viene spostato dalla sua posizione di equilibrio, il momento della forza gravitazionale rispetto all'asse di rotazione, fa tornare l'uovo nella sua posizione originale.

Quando l'uovo è semissommerso, l'acqua entra nell'uovo ( come è possibile osservare dalle bolle d'aria che fuoriescono), ma l'oggetto non assorbente assicura che solo la  calotta superiore dell'uovo può essere riempita con l'acqua. Appena la metà superiore diventa più pesante di quella inferiore, la posizione del centro di massa cambia e l'uovo ruota, così che il centro di massa si viene a trovare di nuovo al di sotto dell'asse di rotazione.

Uovo Kinder acrobata del circo

I vostri studenti sono in grado di scoprire cosa fa fare all'uovo di plastica un salto mortale?

Materiali

• Un contenitore di plastica dell'uovo Kinder per ogni gruppo di studenti
• Una selezione di oggetti di varia forma, dimensione e peso (incluse palle), abbastanza piccole da poter essere inserite all'interno dell'uovo di plastica
• Un piano inclinato

Procedura

1. Piazzare l'uovo pre - arrangiato sul piano inclinato e osservate come si divertono i vostri studenti: invece di fare rotolare semplicemente l'uovo lungo il piano, l'uovo rotolerà con le sue estremità come farebbe un acrobata del circo!
2. Fornire ad ogni gruppo di studenti un uovo di plastica e una selezione di oggetti e chiedere di riprodurre il comportamento dell'uovo nello stesso modo che avrete loro dimostrato.
   • In alternativa, potrete fornire loro l' uovo preparato in precedenza trattandolo come una 'scatola nera' ('black box') e chiedere di spiegarne il comportamento senza aprirlo. 

Scuotendo e rigirando la 'scatola nera' (black box'), gli studenti potranno immaginare che all'interno dell'uovo vi sia un oggetto rotondo. Ponendo differenti palline nell'uovo vuoto, potranno trovare una pallina della giusta dimensione e del peso sufficiente a far si che l'uovo si comporti come un acrobata. A questo punto saranno in grado di spiegarne il comportamento.

Che cosa succede

Quando l'uovo è posto sul piano inclinato, la pallina al suo interno, a causa della gravità, rotolerà lungo la superficie tonda dell'uovo. Questo provoca che l'estremità superiore dell'uovo scivoli verso l'alto e l'intero uovo compia una piroetta (l'acrobata del circo). La pallina all'interno del container rotolerà nuovamente verso il basso, costringendo l'uovo a compiere un'altra piroetta.

Le vostre idee?

Speriamo che i nostri suggerimenti vi abbiano fornito alcune idee da applicare nei vostri esperimenti. Perché non lasciate un commento su come avete usato le nostre idee e quale dei nostri esperimenti, avete proposto? Hanno funzionato bene? Come si potrebbero migliorare?

Riconoscimenti

Questo articolo è stato adattato da un articolo originale del Physics Education (Onderová & Featonby, 2015).