Gli esperimenti scientifici sono il miglior modo per unire apprendimento e divertimento. Mettendo in atto il procedimento scientifico di ipotesi, esperimento e conclusione, si può provare cosa significa imparare dall’esperienza.

Basi teoriche

L’acqua è la risorsa più importante della Terra; ha reso possibile la nascita della vita sulla Terra.

Tutti gli esseri viventi sono formati da acqua in percentuale variabile dal 50% a oltre il 95% es. le meduse.

Sulla Terra l’acqua può trovarsi allo stato solido (ghiaccio), allo stato liquido (oceani-mari-fiumi-laghi), allo stato aeriforme (vapore acqueo).

L’acqua ha le proprietà dei liquidi:

• ha un volume proprio ma non ha una forma propria
• a riposo ha una superficie piana
• a differenza dei gas non si può comprimere
• ha una massa, quindi un peso, maggiore rispetto a quello dell’aria; di conseguenza, la pressione che essa esercita, chiamata pressione idrostatica, è maggiore della pressione atmosferica.

I VASI COMUNICANTI

Basi teoriche

Si chiamano vasi comunicanti due o più recipienti uniti da un tubo di comunicazione.

Il principio dei vasi comunicanti è il principio secondo il quale un liquido contenuto in due o più contenitori comunicanti tra loro, in presenza di gravità, raggiunge lo stesso livello originando un’unica superficie equipotenziale.

L’acqua ha, anche, alcune proprietà particolari

La forza di coesione

La forza di coesione è la forza di attrazione di natura elettrostatica che si crea tra le particelle elementari di una stessa sostanza, tenendole unite e opponendosi alle eventuali forze esterne che invece tendono a separarle.

la tensione superficiale

L’acqua ha una buona forza di coesione, dovuta alla struttura della sua molecola: sulle superfici a contatto con l’esterno si crea una forza chiamata TENSIONE SUPERFICIALE. La tensione superficiale dispone le molecole dell’acqua a formare una specie di pellicola resistente, che riesce a sostenere piccoli oggetti (uno spillo o una clip) ed è anche la forza che fa assumere all’acqua la caratteristica forma a goccia.Alcuni insetti riescono a camminare sull’acqua proprio grazie alla tensione superficiale.

LA CAPILLARITA’

Basi teoriche

Come conseguenza della forza di coesione, l’acqua ha un’altra proprietà, che non tutti i liquidi possiedono: la capacità di salire in tubicini piccolissimi come capelli, cioè i capillari.

E’ noto che in due recipienti comunicanti tra loro un liquido sale alla medesima altezza, disponendosi in modo che le due superfici libere giacciano in uno stesso piano orizzontale (principio dei vasi comunicanti). Tuttavia se uno dei due recipienti è costituito da un cannello molto sottile (tubo capillare), allora il suddetto principio non si verifica più, ma è facile osservare che nel tubo sottile il liquido si porta ad un altezza maggiore che nell’altro.

Basi teoriche

L’atmosfera è l’involucro gassoso che circonda la terra; i gas presenti nell’atmosfera sono: 21% ossigeno; 78% azoto; 1% anidride carbonica e gas rari. I gas che compongono l’atmosfera avvolgono la terra e non si disperdono nello spazio perché su di essi agisce l’attrazione di gravità. Il peso enorme di questa massa di gas, che si distribuisce sull’intera superficie terrestre, si definisce pressione atmosferica.

Il valore della pressione atmosferica non è uguale su tutta la superficie terrestre, ma dipende da diversi fattori: altitudine, temperatura e umidità dell’aria.

Il primo a misurare la pressione atmosferica fu Evangelista Torricelli allievo di Galileo Galilei. Egli riuscì a dimostrare che l’aria ha un peso.

Per verificare la sua ipotesi scelse di usare il mercurio, un metallo liquido più pesante dell’acqua.Prese un tubo cilindrico di vetro alto un metro e con la sezione di un cm², chiuso a una estremità, lo riempì di mercurio e, tappandolo con un dito, lo capovolse in una vaschetta contenente lo stesso metallo. Secondo il principio dei vasi comunicanti, il mercurio avrebbe dovuto scendere per raggiungere lo stesso livello di quello della vaschetta, invece discese nel tubo fino a un’altezza di 76cm e lì si fermò, lasciando il vuoto nella parte superiore.Torricelli ne dedusse che sul mercurio della vaschetta premeva una forza, quella dell’aria, tale da spingere in un certo senso il mercurio verso l’alto. Questa forza non poteva, invece premere sul mercurio nel tubo, perché quest’ultimo era chiuso in alto e l’aria non poteva penetrarvi. Naturalmente l’esperimento venne rifatto più volte, nelle stesse condizioni con lo stesso risultato. Torricelli stabilì che l’atmosfera esercita su ogni cm² di superficie una pressione tale da controbilanciare il peso di una colonnina di mercurio alta 76 cm. Calcolo della pressione atmosferica:

Volume della colonnina (volume di un cilindro)=area di base x altezza=1 cm² x 76cm=76 cm³

Peso della colonnina=volume x peso specifico del mercurio =76 cm³ x 13,6 g/cm³ =1033 g=1,033Kg

L’atmosfera esercita, quindi, una pressione sulla superficie terrestre pari a 1,033Kg/cm². Una delle unità di misura della pressione prende proprio il nome di atmosfera (atm) ed equivale a 1,033Kg/cm².

LA PRESSIONE ATMOSFERICA

Basi teoriche

L’aria esercita una forza sui corpi che viene chiamata PRESSIONE ATMOSFERICA. L’apparecchio che misura la pressione atmosferica è il Barometro. La pressione è la grandezza fisica che mette in relazione la forza con l’area della superficie su cui è distribuita. Essa è il rapporto tra l’intensità della forza premente su una superficie e l’area della superficie di contatto. Nel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura della pressione è il PASCAL.

Ogni corpo è fatto da una certa quantità di materia, che si chiama “massa”. La massa si misura con la bilancia a bracci uguali, usando come unità di misura il kilogrammo.

Esaminiamo la bilancia presente in laboratorio:

La bilancia a bracci uguali è formata da un’asticciola, chiamata giogo della bilancia e da un perno, attorno al quale oscilla il giogo. Il perno è collocato esattamente nel punto di mezzo dell’asticciola, che risulta pertanto formata da due bracci uguali. I due bracci portano alle estremità due piatti uguali, capaci di sorreggere degli oggetti. In assenza di oggetti sui due piatti il giogo è immobile: si dice che la bilancia è in equilibrio. Collocando sui due piatti due oggetti con masse diverse, il giogo perde l’equilibrio e si abbassa dalla parte dell’oggetto con la massa più grande. Collocando due oggetti con la stessa massa, invece, il giogo rimane in equilibrio. Dunque, per misurare la massa di un corpo con la bilancia a bracci uguali si procede nel modo seguente: si sceglie la massa di un oggetto come massa campione con la massa del corpo che si vuole misurare. L’unità di misura della massa è il Kilogrammo (Kg).

Nella vita comune si usano frequentemente anche il grammo (g) e il milligrammo (mg). Il grammo e il milligrammo sono sottomultipli del Kilogrammo, cioè sono contenuti nel Kilogrammo un certo numero intero di volte e servono per misurare corpi di massa piccola.

Il Peso dei corpi

Qualsiasi oggetto, lasciato a se stesso, cade al suolo; per sollevare o tenere sollevato da terra un oggetto, devi fare uno sforzo. Lo sforzo necessario è tanto più grande, quanto più grande è la massa dell’oggetto che sollevi. Per descrivere questa situazione dici che l’oggetto è “pesante”. Si parla di “peso”. Il peso di un corpo è dovuto alla forza di attrazione che la Terra esercita su di esso.Tale forza si chiama forza di gravità o gravitazione.

Dunque: il peso di un corpo è la forza con la quale la terra attrae quel corpo. Essendo una forza, il peso è anche chiamato forza-peso.

Anche il peso, come la massa, si misura con la bilancia a bracci uguali. Si sceglie il peso di un oggetto come campione o unità di misura e si confronta quest’ultimo, mediante la bilancia a bracci uguali, con il peso che si vuole misurare.

Il peso dei corpi può essere misurato anche con il dinamometro.

Essendo una forza, il peso dei corpi può essere misurato anche con un altro strumento: il dinamometro. Il dinamometro (misuratore di forze) è utilizzato per misurare forze di vario tipo, non soltanto la forza-peso dei corpi.

L’unità di misura del peso è il Kilogrammo-peso (Kgf).

Il kilogrammo-forza è il peso di un corpo con la massa di un Kilogrammo (cioè la forza con la quale la Terra attira un corpo con la massa di un Kilogrammo).

Il dinamometro

Le forze si misurano con la misura indiretta dell’effetto che producono, ad esempio l’allungamento di una molla.

Lo strumento che si usa per misurare una forza è il dinamometro, costituito da una molla tarata che scorre all’interno di un cilindro metallico. Un’estremità della molla è fissata al cilindro mentre l’altra, munita di un gancetto al quale si applica la forza, è mobile. L’allungamento della molla, la cui grandezza è osservabile su una scala graduata, è direttamente proporzionale all’intensità della forza applicata.

Una forza è tutto ciò che provoca un cambiamento nello stato di un corpo a cui viene applicata: lo mette in movimento se è fermo (cioè in quiete), ne fa variare la velocità se è in movimento o ne cambia la forma.

L’unità di misura delle forze, nel Sistema Internazionale, è il Newton (N) che è la forza applicata a un corpo della massa di un chilo che gli imprime un’accelerazione pari a 1m/s², cioè fa aumentare ogni secondo la sua velocità di un metro al secondo. Il Newton prende il suo nome dallo scienziato Isaac Newton, che per primo studiò la gravitazione universale.

Il Newton è anche l’unità di misura del peso.

Il peso, infatti, è la forza che agisce tra due corpi (uno dei quali è la Terra) per effetto dell’attrazione gravitazionale. Sulla superficie terrestre un corpo che ha massa di 1 Kg subisce una forza pari a 9,8N.

Una forza si rappresenta con un vettore, che è una freccia orientata nello spazio.

Un corpo è in equilibrio quando la risultante di tutte le forze che agiscono su di esso è nulla: il corpo non si sposta.

Le condizioni di equilibrio

Un corpo è formato da tante particelle (atomi e molecole) ciascuna delle quali ha una certa massa ed è soggetta alla forza di gravità;tutte vengono attirate verso il centro della Terra, con la stessa direzione e lo stesso verso.

Componendo tutte le forze di gravità che agiscono sulle diverse particelle di un corpo si ottiene come risultante la forza-peso, che ha come risultante la somma delle intensità delle singole forze.

In un corpo rigido il punto di applicazione della forza peso è un punto interno al corpo che si chiama baricentro.

Quindi il baricentro è il punto in cui può essere considerata concentrata tutta la massa del corpo. Un corpo rigido si dice omogeneo quando è costituito tutto dallo stesso materiale e ha perciò in ogni punto la stessa densità. Sono corpi omogenei un cubetto di ghiaccio, una lastra di vetro, ecc. Per i corpi omogenei di forma geometrica, il baricentro coincide con il centro geometrico o centro di simmetria.

I corpi non omogenei, invece, sono costituiti da materiali diversi.Sono corpi non omogenei un cacciavite con il manico in materiale isolante, uno spazzolino da denti, una racchetta da ping-pong. Il loro baricentro non coincide con il centro di simmetria, ma è spostato a seconda della diversa densità dei materiali componenti.

L’equilibrio delle forze: le leve.

Le leve sono macchine semplici utilizzate dall’uomo per vincere una forza (resistenza) applicandone un’altra (potenza).

Una leva può essere rappresentata da un’asta rigida libera di ruotare attorno a un punto fisso chiamato fulcro (F). Il braccio della resistenza (b_r) è la distanza tra il punto di applicazione della resistenza e il fulcro. Il braccio della potenza (b_p) è la distanza tra il punto di applicazione della potenza e il fulcro.

Equilibrio delle leve

Una bilancia a due piatti è una leva, costituita da un’asta rigida con il fulcro fissato nel suo centro.La bilancia è in equilibrio se su ognuno dei piatti c’è lo stesso peso.

Una leva è in equilibrio quando il prodotto della potenza per il suo braccio è uguale al prodotto della resistenza per il suo braccio: P X b_p = R X b_r

Tipi di leva:

Le leve di primo genere: il fulcro si trova tra la potenza e la resistenza. Esempio: la bilancia a due bracci.

Le pinze e le tenaglie sono leve di primo genere, sono vantaggiose e permettono di piegare un metallo o di estrarre un chiodo nel muro.Il braccio della potenza è maggiore del braccio della resistenza. Il remo è una leva svantaggiosa: il braccio della potenza è minore del braccio della resistenza perché il fulcro è più vicino alla potenza e quindi occorre impiegare molta forza per vincere la resistenza dell’acqua. L’altalena a due bracci è una leva indifferente perché i due bracci sono uguali.

Le leve di secondo genere: la resistenza si trova tra il fulcro e la potenza. In queste leve il braccio della potenza è sempre più lungo del braccio della resistenza così la potenza vince sempre sulla resistenza, è una leva vantaggiosa. Esempi: lo schiaccianoci e la carriola.

Le leve di terzo genere: la potenza si trova tra la resistenza e il fulcro e il braccio della potenza è sempre più corto del braccio della resistenza. In queste leve, quindi, la potenza deve essere molto grande per poter vincere la resistenza. Queste leve sono, quindi sempre svantaggiose, ma sono molto utili per lavori di precisione o quando si maneggiano oggetti delicati. Sono leve di terzo genere: le molle per il camino, le pinzette dei francobolli, le pinze per il ghiaccio.

Altre macchine semplici: la carrucola formata da una ruota che gira attorno al proprio asse, porta una scanalatura con una corda che la fa girare. Il piano inclinato: lo rappresentiamo come l’ipotenusa di un triangolo rettangolo mentre l’altezza del piano è il cateto. Il peso da sollevare è la resistenza. La potenza è la forza che si applica per sollevare il corpo. Il cuneo si utilizza per tagliare un pezzo di legno è l’unione di due piani inclinati. Scompone la potenza in due direzioni perpendicolari aidue piani che lo costituiscono: nel materiale in cui è inserito vengono perciò applicate due forze divergenti. La resistenza che il cuneo deve vincere è scomposta in due componenti, la cui risultante è sempre minore della resistenza effettiva, e quindi, anche il cuneo è una macchina vantaggiosa.

Funzionano, così, anche le asce e i coltelli.

Le forze nei fluidi

Anche nei fluidi (aria e acqua) agiscono le forze.

La pressione

Se cerchiamo di applicare una forza a un fluido ci accorgiamo che non esiste un punto di applicazione bensì una superficie.

Se indichiamo con F la forza applicata e con S la superficie di applicazione, la relazione tra queste due grandezze è:

P= con P viene indicata la Pressione che è la forza peso di un corpo in rapporto alla sua superficie di appoggio.

Nel sistema internazionale l’unità di misura della pressione è il Pascal dal nome dello scienziato Blaise Pascal.Un Pascal equivale a una forza di un Newton applicata perpendicolarmente su una superficie di un metro quadrato, cioè: 1Pa=

La pressione è la pressione presente in qualsiasi punto dell’atmosfera terrestre.

La pressione è direttamente proporzionale all’intensità della forza applicata e inversamente proporzionale all’area della superficie su cui è applicata.

La pressione idrostatica è la forza esercitata da un fluido in quiete sull’unità di superficie con cui è a contatto.Essa dipende dall’intensità della forza stessa, ma anche dalla superficie di appoggio; infatti maggiore è la superficie minore è la pressione.

Possiamo affermare che:

P=F/S

La pressione è direttamente proporzionale all’intensità della forza applicata e inversamente proporzionale all’area della superficie su cui è applicata.

Basi teoriche

Se si riempie la bottiglia con un liquido avente un peso specifico inferiore all’acqua, ad esempio olio, gli zampilli hanno un’intensità minore e raggiungono distanze minori rispetto a quelle raggiunte dai corrispondenti zampilli d’acqua. Questi esempi dimostrano che la pressione idrostatica dipende dalla profondità del liquido e dal suo peso specifico. Questa proprietà è stata studiata da uno scienziato: Simon Stevin che ha formulato una legge con il suo nome.

La pressione esercitata in un punto qualsiasi di un liquido non dipende né dalla sua quantità né dalla forma del recipiente che lo contiene, ma solo dalla profondità di quel punto rispetto alla superficie del liquido e dal peso specifico del liquido stesso.

La legge di Stevin viene utilizzata nella costruzione delle dighe che vengono costruite con le pareti più spesse in basso e più sottili in basso per sopportare pressioni più forti man mano che si va in profondità.

Basi teoriche

Consideriamo due oggetti identici per forma e per dimensione, ma di materiale diverso, hanno masse diverse. Ad esempio due bulloni uguali: un bullone di ferro e un bullone di ottone; il bullone di ottone è più pesante del bullone di ferro.Essi hanno identiche dimensioni e volume uguale.

Possiamo concludere che: uno stesso volume può contenere una diversa quantità di materia, cioè può avere una diversa massa.

Consideriamo, ora, una serie di cubetti di diversi materiali, aventi tutti il lato di 1 cm. Ovviamente tutti i cubetti hanno lo stesso volume di 1. Usando la bilancia,puoi osservare che ognuno di essi ha una massa diversa da quella degli altri. Per indicare tale fatto si dice che i diversi materiali di cui sono fatti i cubetti hanno tutti una densità o una massa specifica diversa. Infatti:

la massa dell’unità di volume di una sostanza si chiama densità o massa specifica della sostanza. Ogni specie chimica o sostanza pura ha una sua densità caratteristica.

Basi teoriche

Vediamo, ora, le forze che agiscono in un corpo immerso in un liquido. Consideriamo ora due oggetti (due cubi) di uguale volume ma di materiale diverso, ad es. legno e ferro. Se li immergiamo in acqua vedremo che il cubo di legno resta immerso solo in piccola parte, mentre il cubo di ferro va a fondo. Nel cubo di legno accade che la forza-peso viene bilanciata dalla forza esercitata dall’acqua sulla faccia inferiore del cubo, nel ferro, invece, la forza–peso del cubo è maggiore della forza esercitata dall’acqua sulla faccia inferiore del cubo.

Il principio di Archimede

Un corpo galleggia quando si crea una condizione di equilibrio tra la sua forza–peso e un’altra forza esercitata dal liquido in cui il corpo è immerso Questa forza viene chiamata spinta idrostatica.

La spinta idrostatica fu scoperta da Archimede che formulò il principio di Archimede:

Un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume del liquido spostato.

Il principio di Archimede ci dice che la spinta idrostatica è una forza diretta verso l’alto che si può immaginare applicata al baricentro di un corpo. Quindi un corpo galleggia quando la spinta idrostatica è maggiore o uguale alla forza-peso del corpo stesso.

Le navi galleggiano, nonostante i loro scafi siano realizzati con materiali pesanti: ferro, acciaio ecc. Questo avviene perché il loro volume è tale per cui la spinta verso l’alto che l’acqua esercita sullo scafo è superiore al peso della nave. Se concentrassimo il peso della nave in un cubo, la nave affonderebbe. Il galleggiamento dei corpi dipende, certo dal loro peso, ma anche dal loro peso specifico cioè dal rapporto tra il peso e il volume (anche dal peso specifico del liquido in cui sono immersi). Perciò le navi sono costruite in modo tale che la spinta idrostatica sia superiore al loro peso.

Concludiamo affermando che:

·I corpi che hanno peso specifico minore del liquido in cui sono immersi galleggiano.

·I corpi che hanno peso specifico maggiore di quello del liquido in cui sono immersi vanno a fondo.

Quindi se il liquido ha un elevato peso specifico i corpi galleggiano più facilmente.

·Nel mare è più facile galleggiare rispetto alla piscina perché nel mare sono disciolti i sali minerali che ne fanno aumentare il peso specifico.

·L’olio ha un peso specifico minore di quello dell’acqua, quindi galleggia sull’acqua.

·Il legno ha un peso specifico minore di quello dell’acqua, quindi galleggia sull’acqua (i tronchi degli alberi vengono portati a valle con i corsi d’acqua, le zattere e le barche galleggiano).

·Il petrolio ha un peso specifico minore di quello dell’acqua, perciò se una petroliera affonda nel mare resta a galla e i pesci che vivono in superficie muoiono.

I pesci sfruttano il Principio di Archimede per spostarsi rapidamente dal fondo alla superficie del mare per mezzo della vescica natatoria che si trova sopra l’intestino: con essa modificano il loro peso specifico e, quindi, la loro spinta idrostatica. La vescica natatoria è un piccolo sacco che contiene ossigeno, acqua e anidride carbonica. I pesci riescono a regolare la quantità di gas presente nella vescica, quidi gonfiandola e sgonfiandola può spostarsi facilmente nell’acqua.

Dimostriamo il principio di Archimede con qualche esperimento.

PESO SPECIFICO

Basi teoriche

Il peso specifico è definito come il peso di un campione di materiale diviso per il suo volume; è usato impropriamente come sinonimo di densità (rapporto tra massa e volume di un corpo).

LE REAZIONI CHIMICHE

Il processo tramite cui una o più sostanze si trasformano in sostanze diverse si chiama reazione chimica. Esempi: il legno brucia e si trasforma in fumo e cenere, un chiodo arrugginisce a contatto con l’aria perché il ferro di cui è fatto si unisce con l’ossigeno dell’aria e si trasforma in un composto chimico: l’ossido di ferro che chiamiamo comunemente ruggine.

Durante una reazione chimica si rompono i legami tra gli atomi delle sostanze che reagiscono e si formano nuovi legami.

Quando il carbone brucia si ha una reazione di combustione in cui il carbonio C del carbone si combina con l’ossigeno dell’aria O₂ e si forma l’anidride carbonica CO₂.