48) Il diavoletto di Cartesio

Riassunto / Abstract

Soprattutto nel biennio è importante sollecitare la curiosità degli allievi con piccoli esperimenti, facilmente riproducibili, per avvicinarli al mondo della Fisica, che non è solo matematica applicata ma soprattutto ragionamento. Il diavoletto di Cartesio, oltre a stimolare la capacità di costruire degli strumenti con materiale povero, farà loro comprendere l’influenza della pressione sulla densità di un fluido.

Scheda sintetica delle attività

Utilizzando una bottiglia d’acqua con tappo e un cappuccio di una penna bic, si vuole fare vedere come, variando la densità dell’aria intrappolata all’interno del cappuccio, si può variarne la configurazione di galleggiamento. Premendo la bottiglia, verrà compresso anche il volume della bolla d’aria all’interno del cappuccio, fino al punto da rendere il sistema cappuccio-aria più denso dell’acqua. A questo punto il cappuccio affonderà. Diminuendo la pressione la bolla d’aria tenderà ad espandersi e il cappuccio risalirà in superficie.

Risorse necessarie

  • una bottiglia di plastica da mezzo litro;
  • il cappuccio trasparente di una penna a sfera (preferibilmente non forato sulla sommità);
  • un pò di plastilina o pongo;
  • della carta d’alluminio;
  • acqua;
  • una tazza;
  • un bastoncino piatto o una spatolina.

Prerequisiti necessari

  • Concetto di densità;
  • Concetto di galleggiamento di un corpo in un fluido (principio di Archimede).

Obiettivi di apprendimento

Comprensione del principio di Archimede sul galleggiamento ;
Comprendere che la densità varia con la pressione.

Dotazioni di sicurezza

Utilizzare una pinza per tenere il cappuccio sopra la fiamma

Svolgimento

Realizzazione

1) Riempiamo di acqua la tazza e, fin quasi al colmo, la bottiglia. La tazza ci servira per effettuare piu agevolmente le prove.

2) Attacchiamo all’estremità inferiore del cappuccio una pallina di plastilina. Facciamo vedere che, riempiendo d’acqua il cappuccio, questo andrà a fondo.

3) Appoggiamo con delicatezza il cappuccio sull’ acqua della tazza, facendo in modo che non si riempia completamente d’acqua, ma lasci una bolla d’ aria al suo interno. Controlliamo che il cappuccio galleggi a pelo d’acqua; se il cappuccio dovesse affondare o affiorare troppo basta togliere o aggiungere un poco di plastilina fino a raggiungere il galleggiamento desiderato. E’ in questa fase che è meglio usare la tazza perché è più facile recuperare il diavoletto.

4) Trovato il galleggiamento desiderato, avvolgiamo la plastilina nella carta stagnola, affinché l’acqua non sciolga la pallina; sistemiamo il cappuccio nella bottiglia e chiudiamo avvitando il tappo.

A questo punto basta esercitare una lieve pressione ai lati della bottiglia e si vedrà il ” diavoletto” scendere all’ interno della bottiglia; esso risalirà nel momento in cui la pressione cesserà. Dosando opportunamente la pressione saremo in grado di far stazionare il diavoletto in posizioni intermedie.

Si veda il filmato dimostrativo nell’allegato #1.

Dopo aver visto quest’ esperimento, eseguiamo anche l’esperienza classica con il diavoletto di Cartesio in dotazione alla scuola (vedi allegato 2).

Discussione

Un possibile spunto di approfondimento e di discussione potrebbe nascere dal confronto tra i due sistemi a da come interpretare il fenomeno nei due casi:

1)  con il classico strumento di laboratorio si considera la densità di tutto il volume del diavoletto (involucro di vetro+acqua+aria), attribuendone la variazione soprattutto al cambiamento di livello dell’acqua in esso contenuta e quindi ad un aumento del peso complessivo;

2)  nel diavoletto costruito in classe, la base del cappuccio è completamente aperta e appare più naturale concentrarsi sul sistema cappuccio+aria+plastilina: quando la pressione esterna aumenta, il volume di aria intrappolata nel cappuccio si riduce e, di conseguenza, il livello dell’acqua al suo interno aumenta. Dato che, a parità di massa complessiva, il volume del sistema si è ridotto, la densità è aumentata e questo spiega l’affondamento. Ovviamente, il meccanismo alla base del fenomeno è lo stesso e nulla impedisce di considerare, anche nel caso del cappuccio, la variazione di massa tenendo fisso il volume considerato (ad esempio, dalla base del cappuccio); tuttavia, questa interpretazione appare più “forzata” dato che l’acqua nella base del cappuccio non grava sul peso del diavoletto e comprime semplicemente il volume della bolla d’aria nella sommità del cappuccio.

Note e storia

Il diavoletto di Cartesio prende il nome dal filosofo-matematico René Descartes che, insieme ad altri scienziati, pose le basi della idrostatica.

Normalmente, questa esperienza viene condotta con il classico strumento di laboratorio in cui il diavoletto è realizzato in vetro soffiato ed ha solo una piccola apertura nella “coda” per poterlo mettere in comunicazione con l’esterno e far fluire l’acqua; il contenitore esterno è un cilindro di vetro e l’aumento di pressione si ottiene premendo con un dito su una membrana elastica sulla sommità (vedi filmato nell’allegato #2).

Autori

Laikauf Loreta 
Di Lorenzo Marco

Schede / Allegati

Specifiche esperimento


Materia
Fisica
Classi a cui è rivolto
1° biennio
Tipologia di laboratorio
Povero
Reperibilità del materiale
Uso quotidiano
Materiale specifico
Bottiglia di plastica, cappuccio trasparente di una penna a sfera, plastilina o pongo, foglio
d’alluminio, tazza, spatolina
Durata esperimento in classe
1 h
Capacità di bricolage/assemblaggio
No
Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche
No
Necessità PC per acqusizione/analisi dati
No
Necessità di uno smartphone
No
Parole chiave
Meccanica dei fluidi
Idrostatica
Spinta di Archimede
Densità