Riassunto / Abstract

Le esperienze che fanno parte di questo percorso sono tutte basate sull’uso di bottiglie di plastica e altri oggetti di uso comune per dimostrare principi fisici o per realizzare misure. Questa attività nasce da una proposta didattica pubblicata nella rivista “La fisica nella scuola”.

Scheda sintetica delle attività

Il percorso è composto da tre esperienze:

• ESPERIENZA 1: misura della densità dell’aria utilizzando una bottiglia di plastica, la valvola di una camera d’aria di bicicletta, una pompa da bicicletta e una siringa.
• ESPERIENZA 2: dimostrazione qualitativa della diminuzione del volume di un gas all’aumentare della pressione attraverso una bottiglia di plastica, la valvola di una camera d’aria di bicicletta, una pompa da bicicletta e un palloncino di gomma.
• ESPERIENZA 3: dimostrazione qualitativa della conservazione della quantità di moto nel moto a reazione mediante una bottiglia di plastica bucata sul fondo, un po’ di alcol etilico e un accendino.

Risorse necessarie

ESPERIENZA 1

• Bottiglia di plastica;
• valvola di una camera d’aria di bicicletta;
• siringa da 10 cc;
• ferro da stiro caldo o accendino;
• pompa da bicicletta;
• bilancia con sensibilità di almeno 0,1 g.

ESPERIENZA 2

• Bottiglia di plastica;
• palloncino di gomma;
• pompa da bicicletta;

ESPERIENZA 3

• Bottiglia di plastica per bibite gassate forata sul fondo;a
• alcol etilico;
• accendino.

Prerequisiti necessari

• Concetto di densità e di pressione;
• equazione di stato dei gas perfetti;
• conservazione della quantità di moto.

Obiettivi di apprendimento

• Saper misurare la densità dell’aria;
• riconoscere la diminuzione di volume di un gas all’aumentare della pressione;
• saper riconoscere la conservazione della quantità di moto.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna, anche se una particolare attenzione deve essere rivolta durante la combustione dei vapori di alcol nel corso dell’Esperienza 4.

Svolgimento

ESPERIENZA 1: misura della densità dell’aria con bottiglia, valvola e siringa.

Per misurare la densità dell’aria, si buca il tappo della bottiglia di plastica e ci si infila la valvola della camera d’aria di una bicicletta lasciando eventualmente un po’ di gomma in modo che nel richiudere la bottiglia faccia tenuta (figura 1).

Si toglie l’ago della siringa e si sigilla la plastica della punta con un ferro da stiro caldo o con un accendino, facendo attenzione a non bucare la plastica lasciandola fondere troppo, e facendo in modo che lo stantuffo rimanga sulla tacca dei 10 cc. (figura 2)

Successivamente, si infila la siringa nella bottiglia, potrà rendersi necessario tagliarne il collare per farla passare (figura 3)

Si pesano insieme bottiglia, siringa e valvola (figura 4)

Nel nostro caso, la bottiglia contente la siringa sigillata e aria a pressione atmosferica è stata chiusa con il tappo nel quale era stata inserita la valvola da bicicletta e tutto l’insieme è stato pesato con una bilancia con una sensibilità di 0,01 g, misurando una massa complessiva di 43,34 ± 0,01 g.

A questo punto, si pompa aria finché la siringa non segna metà del valore iniziale, in modo che la pressione nella bottiglia sia doppia di quella atmosferica e che quindi anche la massa di aria sia doppia (vedi il Video 1 in allegato).

Pompando aria, infatti, la pressione all’interno della bottiglia aumenta e il volume occupato dai 10 cc di aria contenuti nella siringa diminuisce in maniera inversamente proporzionale all’aumento della pressione. Quando il volume della siringa sarà arrivato a 5 cc si sarà dimezzato, e pertanto la pressione nella bottiglia sarà raddoppiata. Poiché tutta l’aria della bottiglia ha un volume costante e la temperatura è costante, dall’equazione di stato dei gas perfetti PV=nRT si ricava che sarà raddoppiato anche il numero di moli di aria n e pertanto la massa di aria all’interno.

Si pesa di nuovo la bottiglia in queste condizioni (figura 5)

Nel nostro caso, la bottiglia contente la siringa sigillata e l’aria a pressione doppia di quella atmosferica aveva una massa complessiva di 45,00 ± 0,01 g.

La differenza di massa registrata rispetto alla pesata con l’aria a pressione atmosferica è dovuta all’aumento della massa di aria all’interno, ora doppia rispetto all’inizio. 
Poiché quando una quantità raddoppia, il suo aumento coincide con il valore che aveva all’inizio, si può concludere che l’aumento della massa di aria coincide con il valore iniziale della massa di aria a pressione atmosferica nella bottiglia.
Il rapporto tra questa massa e il volume della bottiglia, quindi, fornisce una stima della densità dell’aria a pressione atmosferica.
Nel nostro caso, abbiamo:

\[\large{ d = \frac{45,00 g – 43,34 g}{1500 cm^{3}} = 1,1 \times 10^{-3} g/cm^{3}}\]

Il valore ottenuto è inferiore, di circa il 10%, rispetto al valore riportato in letteratura; l’origine della discrepanza è dovuta al fatto che durante la misura con la bottiglia in pressione ci sono perdite di aria dal tappo a causa della non perfetta tenuta. Questo fa sì che la differenza al numeratore sia più piccola di quanto dovrebbe essere. 
Rispetto a questo errore sistematico, le altre fonti di errore, quali quella dovuta all’errore della bilancia e quella dovuta al fatto che si è utilizzato il valore nominale del volume di una bottiglia da 1,5 l anziché misurarlo con precisione, sono assolutamente trascurabili. 
Il risultato potrebbe migliorare aumentando la tenuta del tappo alle perdite di aria.

ESPERIENZA 2: Dimostrazione della diminuzione del volume di un gas all’aumentare della pressione con bottiglia e palloncino.

Si infila un palloncino di gomma in una bottiglia lasciandone fuori l’imboccatura.
Si gonfia il palloncino dall’esterno della bottiglia, si chiude e si lascia cadere nella bottiglia (figura 6).

Si chiude la bottiglia con il tappo-valvola preparato come descritto per l’Esperienza 1 (figura 7 e 8).

Si pompa aria nella bottiglia mostrando che all’aumentare della pressione il volume del palloncino diminuisce, mentre torna al suo valore originario facendo sfiatare l’aria. Il Video 2 in allegato mostra il fenomeno. Pompando aria, infatti, la pressione all’interno della bottiglia aumenta e pertanto il volume dell’aria contenuta nel palloncino (inversamente proporzionale alla pressione) diventa più piccolo, fino a che il palloncino non passa attraverso la strozzatura (figura 9)
Se nella bottiglia è presente una strozzatura, infatti, si può fare in modo che il palloncino non ci passi o ci passi attraverso a seconda della pressione dell’aria all’interno della bottiglia.

Aprendo poi la bottiglia, l’aria esce e la pressione all’interno torna alla pressione atmosferica iniziale, così che anche il volume dell’aria contenuta nel palloncino torna alle condizioni iniziali. Di nuovo il palloncino non passa attraverso la strozzatura, come mostrato dal Video 3 in allegato.

ESPERIENZA 3: Dimostrazione del moto a reazione con una bottiglia forata e un po’ di alcol.

Si pratica un foro il più possibile regolare e centrale sul fondo di una bottiglia.
Si bagna con alcol etilico l’interno della bottiglia in modo che si saturi con il vapore dell’alcol e si fa sgocciolare l’eccesso di alcol.
Si dispone la bottiglia in posizione orizzontale e si avvicina la fiamma dell’accendino al foro sul fondo della bottiglia (figura 10). Notare che per evitare che durante il moto la bottiglia prenda direzioni non desiderate, è stata fissato intorno alla bottiglia con del nastro adesivo, un cilindro di carta attraverso il quale passa un filo che funge da guida; questo assicura che il moto sarà rettilineo lungo il filo.
Quando i vapori di alcol arrivano alla temperatura di combustione, si incendiano, e all’interno della bottiglia i gas prodotti fanno aumentare la pressione molto rapidamente, finché questi non escono dal foro sul fondo ad una certa velocità e quindi con una certa quantità di moto. Il sistema costituito da gas e bottiglia ha una quantità di moto iniziale uguale a 0 e quando il gas acquista quantità di moto all’indietro, la bottiglia acquista quantità di moto in avanti, in modo che la somma si conservi e sia sempre uguale a 0 (figura 11). Il moto può essere visualizzato nel Video 4 in allegato.

L’attrito tra filo e cilindro fa fermare la bottiglia dopo un breve percorso. Questo aspetto non altera la significatività dell’esperienza in quanto il momento fondamentale per visualizzare la conservazione della quantità di moto  è quello iniziale della partenza.

Autori

Rapaccini Barbara

Schede / Allegati

• Video 1
• Video 2
• Video 3
• Video 4
• Scheda riassuntiva

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Bottiglia di plastica, pompa e valvola di una camera d’aria di bicicletta, siringa, bilancia, palloncino di gomma, alcol etilico, accendino Durata esperimento in classe 2 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Meccanica dei fluidi Meccanica dei sistemi Densità Legge di Boyle-Mariotte