Per la serie Prove e provette, un video dalla quarantena!
Un piccolo esperimento per mostrare l'agitazione termica delle molecole: l'abbiamo svolto in aula, a febbraio. Poi il Covid-19 ci ha costretti a non trovarci più a scuola, ci ha obbligati a fare lezione a distanza.
Ma abbiamo concluso lo stesso il nostro video. Ci mancava il doppiaggio, le voci: le abbiamo registrate durante l'ultima ora di lezione, in collegamento internet, ognuno dalla propria casa.
Le riprese, detto tra noi, non erano tecnicamente perfette. Le voci, invece... meravigliose!
Peccato solo per Luca e Marta, che avevano qualche problemino di connessione e non sono riusciti a farsi sentire. Ma ci rifaremo a settembre!
Prendiamo un corpo e lo scaldiamo.
Ora, temo di sapere a cosa state pensando. Ma qui stiamo parlando di un corpo come lo si intende in fisica, mica in anatomia.
Si tratta di qualunque oggetto o, per meglio dire, una porzione di materia, composta quindi da un certo numero di atomi e/o molecole, dotata di una massa, un volume e via dicendo.
Può essere un solido, un liquido, un aeriforme, non importa.
A questo corpo forniamo energia termica, meglio nota come calore.
Ecco: prendiamo un corpo e lo scaldiamo.
Cosa succederà?
Risposta: nella maggioranza dei casi il corpo aumenterà di volume. Cioè si dilaterà.
In prima B abbiamo provato un po' con tutti gli stati della materia. Ma abbiamo filmato solo le prove con gli aeriformi. Gli esperimenti con la dilatazione di solidi e liquidi li riprenderemo un'altra volta.
MATERIALE OCCORRENTE
Un accendino;
Un fornelletto;
Un palloncino
Una retina frangifiamma;
Una beuta;
PROCEDIMENTO
Mettere il palloncino sull'imboccatura della beuta;
Mettere la beuta sul fornelletto (ma tra la fiamma e la beuta è meglio sistemare la retina frangifiamma).
Accendere il fornelletto.
OSSERVAZIONI
In breve tempo il palloncino si gonfia.
CONCLUSIONI
Nella beuta (e un po' anche nel palloncino) è rimasta intrappolata una certa quantità di aria.
Quando accendiamo la fiamma, forniamo del calore. Le molecole di aria aumentano la loro agitazione, si muovono più velocemente. Quindi si allontanano tra loro.
Di conseguenza l'aria aumenta di volume. (L'aria, in questo caso, è il corpo di cui si parlava all'inizio del post.)
Siccome non può uscire, l'ariaspinge sulle pareti della beuta (che però non fa una piega) e su quelle del palloncino, il quale si gonfia.
In prima B abbiamo di nuovo giocato con l'acqua.
Stavolta l'abbiamo vista arrampicarsi sui vetri!
E l'abbiamo pure filmata.
MATERIALE OCCORRENTE
Due vetrini portaoggetto;
Una spatola (serve solo per mescolare l'acqua e il colorante);
Una piastra di Petri (ma va bene anche un piattino o un qualunque contenitore basso);
Colorante per alimenti;
Un bicchiere;
Un po' di acqua.
PROCEDIMENTO
Unire l'acqua e il colorante. Mescolare bene, in modo che l'acqua abbia un colore uniforme.
Versare l'acqua nella piastra di Petri.
Disporre i due vetrini a V. D'accordo, questa frase è un po' sibillina (ma confido che nel video la questione si chiarisca qjuanto basta). Per dirla tutta, avremmo fatto meglio a rendere il tutto più stabile: bastava inserire un piccolo spessore - magari uno stuzzicadenti - tra i due vetrini e stringerli da un lato con una molletta.
Immergere il lato corto dei vetrini nell'acqua.
OSSERVAZIONI
L'acqua tende a salire, come se si arrampicasse sul vetro. Più si riduce la distanza tra i due vetrini, più l'acqua sale.
CONCLUSIONI
Tra le molecole d'acqua ci sono delle forze di attrazione, dette di coesione. Sono quelle che causano, ad esempio, la tensione superficiale dell'acqua.
Ma anche tra acqua e vetro ci sono delle forze di attrazione. In questo caso si usa chiamarle forze di adesione.
Se si guarda da vicino un bicchiere d'acqua (meglio ancora in una provetta, se l'avete a disposizione) è facile vedere che la superficie dell'acqua forma una conca. Il nome che si dà a questa conca è: menisco.
Nel caso dell'acqua il menisco è concavo, come si vede nella foto. Le forze di adesione acqua-vetro sono superiori alle forze di coesione tra le molecole di acqua, perciò dove il liquido è a contatto con il vetro, tende a salire verso l'alto. L'acqua bagna il vetro, come si usa dire.
Se si cambia il liquido (ad esempio olio invece dell'acqua) oppure se si cambia il materiale del contenitore (magari plastica anziché vetro), la forma del menisco può cambiare fino anche a diventare convessa. L'esempio classico è quello del mercurio in un tubicino di vetro: le forze di coesione superano quelle di adesione e le molecole del liquido tendono a "scappare via" dal vetro. Il mercurio non bagna il vetro.
Torniamo al nostro caso: quando la distanza tra i due vetrini è maggiore, il numero di molecole d'acqua a contatto con il vetro è relativamente piccolo. Via via che la distanza tra i vetrini diminuisce, aumenta il numero di molecole d'acqua che toccano il vetro. Per questo le forze di adesione prevalgono sempre di più sulle forze di coesione. E l'altezza della colonna d'acqua aumenta.
Ecco, questo comportamento dell'acqua che "si arrampica" è molto più importante e diffuso di quanto possa sembrare. Si chiama capillarità.
A scuola o nei laboratori, per mostrare la capillarità in azione il più delle volte si usano dei tubicini di vetro molto sottili, i capillari. Basta infilarne un'estremità in un bicchiere d'acqua e si vede il liquido salire nel capillare.
Ma l'acqua si arrampica praticamente ovunque trovi degli spazi abbastanza stretti: tra i granelli di una zolletta di zucchero, nella trama di un tessuto, nelle porosità della carta assorbente. Oppure nei vasi conduttori delle piante, quei tubicini che dalle radici portano la linfa su su fino alla cima degli alberi. La linfa - che in fondo è acqua con qualche sale disciolto - viene raccolta dal terreno e portata a tutte le foglie, senza l'intervento di muscoli, pompe, motori o altro.
Basta dedicare qualche secondo a considerare come le piante usino quell'acqua per fare la fotosintesi, cioè per produrre nuova materia organica e ossigeno, cioè quello che noi usiamo per mangiare e per respirare. Basta questo per intuire come la capillarità non sia roba da poco, in fin dei conti.
Oggi c'era tensione nell'aria.
E c'era tensione anche nell'acqua, si è poi visto.
C'era una gran tensione in classe mentre tentavamo di far galleggiare una graffetta di metallo. Quando ce l'abbiamo fatta, dopo un paio di tentativi falliti, l'oooh che si è sollevato intorno alla cattedra ha detto tutto quello che c'era da dire.
Ma non si trattava dell'unica tensione presente, no. Perché, come i più scaltri avranno già intuito, se la graffetta non è andata a fondo, è stato grazie a una tensione di tipo diverso: la tensione superficiale dell'acqua.
Chi invece non avesse capito bene di cosa sto parlando può guardarsi il piccolo video qui sotto.
Ebbene sì, abbiamo fatto il classico esperimento della graffetta sull'acqua. Non nell'acqua, proprio sull'acqua. Sopra.
Ecco come fare.
MATERIALE OCCORRENTE
Un recipiente con un po' di acqua;
Una pinzetta (non è proprio necessaria, ma torna utile);
Una graffetta metallica (ma si può provare con un ago o perfino con una monetina);
Una pezzetto di carta igienica (o carta da cucina o anche carta velina, se usare la carta igienica vi pare brutto);
Qualche goccia di detersivo.
PROCEDIMENTO
Appoggiate la carta igienica sull'acqua.
Appoggiate la graffetta sulla carta. Questo passaggio va fatto con un po' di attenzione. Bisogna appoggiare la graffetta "di piatto". Proprio per questo torna utile la carta igienica: rende più facile il primo contatto tra la graffetta e la superficie dell'acqua. Però, se avete la mano abbastanza ferma, potete anche rinunciare alla carta.
La carta pian piano si inzupperà d'acqua e affonderà. Potrebbe essere necessario darle qualche spintarella per invitarla a precipitare.
A questo punto la graffetta dovrebbe restare sulla superficie dell'acqua.
Versate qualche goccia di detersivo nell'acqua (non proprio sopra la graffetta, non volete affondarla per bombardamento!).
Dopo poco la graffetta dovrebbe affondare.
OSSERVAZIONI
La graffetta resta sopra l'acqua. Si appoggia sulla superficie.
Quando il detersivo si allarga sulla superficie dell'acqua, la graffetta precipita sul fondo.
CONCLUSIONI
La graffetta NON galleggia come galleggerebbe un cubetto di ghiaccio o un pezzo di sughero, cioè a causa della spinta di Archimede. Un corpo galleggia se il suo peso specifico è minore rispetto a quello dell'acqua. Infatti se spingi a fondo un pezzo di sughero, quello torna subito a galla. La graffetta ha peso specifico maggiore, invece. Qui sembra galleggiare, ma basta toccarla o increspare un po' la superficie dell'acqua per farla precipitare. E non tornerà più su. Non da sola, almeno.
C'è qualcosa di diverso che entra in gioco: la tensione superficiale.
Le molecole di acqua si attraggono tra loro (esercitano, cioè, delle forze di coesione). Le molecole che stanno in profondità saranno attratte in tutte le direzioni dalle altre molecole di acqua. Le molecole che sono in superficie, invece, non hanno molecole di acqua sopra di loro. Quindi vengono attratte solo verso i lati e verso il basso. Questo fa sì che la superficie dell'acqua si comporti come una membrana elastica. Proprio quella su cui poggia la graffetta!
Perché il detersivo ha fatto affondare la graffetta?
Le molecole di detersivo sono dei tipi strani, hanno una testa amante dell'acqua (idrofila, se vogliamo dirla complicata) e una coda che l'acqua non la sopporta proprio (idrofoba, potremmo dire). Si trova bene, invece, nelle sostanze grasse. Questo è il motivo, tra l'altro, per cui i detersivi aiutano a togliere lo sporco dai vestiti che laviamo: la coda si attacca allo sporco, la testa si attacca all'acqua; quando sciacquiamo, l'acqua porta via le molecole di detersivo che trascinano con sé le molecole di sporco.
Ma torniamo al nostro esperimento: il detersivo tende a formare sulla superficie dell'acqua uno strato di tante molecole affiancate, tutte con la testa rivolta all'acqua e la coda rivolta all'aria.
La tensione superficiale di questo strato di detersivo è di un bel po' inferiore rispetto a quella dell'acqua. Non basta più a sorreggere la graffetta. E quella affonda.
PS: anche in questo caso, come nel precedente video, abbiamo svolto l'esperimento durante un'ora di scienze in prima B. Montato il filmato, abbiamo poi deciso insieme quali scritte inserire. Infine abbiamo dedicato una ventina di minuti alla registrazione dell'audio. Devo dire che alcuni ragazzi (e ragazze, s'intende) ci stanno prendendo la mano! Speriamo che non si montino la testa.
Se riempio mezzo bicchiere con dell'acqua, sarà mezzo vuoto o mezzo pieno?
La risposta è: nessuno dei due casi! Il bicchiere è sempre pieno, anche quando è vuoto!
Cerco di spiegarmi: quando il bicchiere è vuoto, in realtà è pieno di aria. Se ci verso dell'acqua potrà essere mezzo pieno d'acqua e mezzo... pieno di aria.
Insomma, il bicchiere è sempre tutto pieno. Il che è una bella botta di ottimismo, no?
Ora, ci si potrebbe chiedere: quando verso l'acqua nel bicchiere, l'aria che c'era dentro che fine fa? Be', esce dal bicchiere. O no?
E se l'aria non potesse uscire? L'acqua potrebbe entrare?
Ecco, con la mirabile masnada della prima B, ci abbiamo ragionato su un po' e abbiamo fatto un piccolo esperimento su una delle proprietà della materia: l'impenetrabilità (dei corpi, aggiunge sempre il libro di testo). Che sembra un concetto facile facile: se un posto è occupato da una cosa - un corpo - non ce ne posso mettere un'altra. Perfino banale se penso a due oggetti solidi. Qualche dubbio nasce se consideriamo due liquidi. Se poi pensiamo ai gas, gli aeriformi, i dubbi aumentano di molto.
Dal piccolo esperimento abbiamo ricavato un altrettanto piccolo video. A cui lasciamo il campo. Vediamo se ci chiarisce un po' le idee.
PICCOLA POSTILLA
Sono tentato di scrivere una qualche frase su come vola il tempo.
Ma non lo farò: meglio non passare il tempo a parlare del tempo che passa.
Il fatto è che cinque anni fa (cinque anni... come vola il tempo!) avevo buttato lì un sondaggio per decidere il nome di una nuova rubrica. Allora avevo in mente un blog con tante rubriche diverse, sì. Poi il tempo passa, le cose cambiano e a volte ci si deve un po' ridimensionare.
Ma sto divagando: intendevo iniziare una serie di post con dei piccoli esperimenti di scienze fatti in classe. Anzi, all'epoca avevamo ancora un vero e proprio laboratorio a disposizione. Il titolo che aveva vinto il sondaggio è: Prove e provette.
Come dite? Si poteva fare meglio? Vero.
Ma il volere del popolo va rispettato. Anche se è un popolo minimo, come quello che segue questo blog. Anche se lo si rispetta con cinque anni di ritardo.
Non so se si è capito, qui tenta di riprendere il cammino un vecchio progetto: piccoli video con piccoli esperimenti scientifici fatti e commentati dai ragazzi, a scuola. Nel frattempo il progetto è un po' cambiato, un po' dimagrito, ma, insomma, cominciamo. E vediamo dove si può andare.
