L’esperienza permette di indagare su un fenomeno difficilmente osservabile in modo diretto: il movimento dell’acqua nel sottosuolo nei differenti tipi di suoli. Essa permette di visualizzare quali terreni fanno registrare tempi brevi, medi o lunghi di attraversamento e la differente quantità di acqua trattenuta dagli stessi, rendendo accessibile la comprensione del concetto di permeabilità, strettamente collegata alle caratteristiche granulometriche dei sedimenti attraversati.
Questo esperimento è presente anche nella versione per le scuole secondarie di II grado: Il percorso dell’acqua
Scheda esperimento
| Classi | 1° anno |
| Tipologia | Strumentazione semplice |
| Durata | 2 h |
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Scheda sintetica delle attività
L’esperimento consiste nel misurare la velocità di attraversamento dell’acqua in diversi tipi di materiali (sabbia, argilla e ghiaia) e la differente quantità di acqua trattenuta dagli stessi. Gli alunni vengono suddivisi in gruppi da 4/5 persone e lavorano in autonomia sotto la guida dell’insegnante.
I gruppi procedono alla raccolta dati seguendo un questionario guida fornito dall’insegnante (allegato 1) che permette loro di comprendere il materiale che ha maggior capacità di trattenere l’acqua, quello dove la velocità con la quale l’acqua lo attraversa è massima, ecc.
Segue una discussione di classe che, guidata dall’insegnante, punta alla comprensione del concetto di permeabilità e alla costruzione di osservazioni e risposte significative sull’esperimento effettuato. Infatti, attraverso la raccolta dati e la loro analisi, si dimostrerà che è la composizione granulometrica di un suolo a incidere sulla sua capacità di trattenere l’acqua e sulla velocità con la quale la stessa acqua lo attraversa. In particolare, a seconda dei materiali di cui sono composti i terreni in natura, essi risultano più o meno permeabili, lasciano cioè passare l’acqua più o meno facilmente.
I gruppi procedono alla restituzione di un test di verifica sul percorso effettuato (allegato 2)
Risorse necessarie
- Campioni di materiali a granulometria differente (es: ghiaia, sabbia e argilla)
- 3 imbuti (si possono ricavare da bottiglie di plastica delle stesse dimensioni)
- 3 Becker graduati da mettere sotto agli imbuti e 1 Becker per i travasi d’acqua
- Quadrati di garza
- Fascette da elettricista
- Forbici
- Cronometro (anche smartphone)
- Acqua
Allegati
- Allegato 1: Tabella rivelazione dati
- Allegato 2: Verifica formativa
Prerequisiti
Nessuno
Obiettivi di apprendimento
- Comprendere cosa si intende per granulometria dei materiali (dimensione dei granuli che costituiscono una roccia o un terreno solido)
- Comprendere il concetto di permeabilità del suolo (capacità dei terreni di essere attraversati dai fluidi)
- Capire in che modo la permeabilità e la granulometria di un suolo sono collegate
- Scoprire le caratteristiche dei terreni
- Familiarizzare con l’idrogeologia.
Dotazioni di sicurezza
Nessuna
Svolgimento
Taglia a tre quarti ogni bottiglia, togli il tappo e al suo posto posiziona il quadrato di garza fissandolo al collo della bottiglia con la fascetta; in questo modo si ottiene un imbuto con filtro riuscendo a trattenere il terreno all’interno della bottiglia (figure 1 e 2).
- Posiziona l’imbuto con il collo rivolto verso il basso sopra al Becker (in alternativa si può usare come supporto il fondo della bottiglia, come illustrato in figura 3).
- Riempi ciascun imbuto con una stessa quantità di terreno e segna il livello raggiunto: dovrà essere uguale per tutti gli imbuti.
- Versa 100 ml d’acqua in ciascun imbuto.
- Cronometra il tempo che l’acqua impiega ad attraversare il terreno in tutti i campioni (figura 4 e video).
- Ordina i dati nella seguente tabella (allegato 1):
- Prova a rispondere alle seguenti domande:
- In quale terreno analizzato in laboratorio l’acqua scorre più velocemente?
- In quale scorre meno velocemente?
- La quantità d’acqua raccolta nei vari contenitori è uguale?
- C’è qualche terreno che riesce a trattenere una maggior quantità d’acqua?
- Secondo te, le dimensioni dei granuli di cui è composto il suolo influiscono su questo fenomeno?
Note e storia
La granulometria è una proprietà molto importante per diversi campi delle Scienze (Geologia, Idrogeologia, Agronomia, Pedologia, ecc). Essa identifica le dimensioni dei granuli che compongono un suolo, un terreno o una roccia sedimentaria.
Le classi granulometriche sono quattro e in base al diametro medio dei granuli si distinguono:
- ghiaia (2 mm < d < 64 mm)
- sabbia (1/16 mm < d < 2 mm)
- silt (1/256 mm < d < 1/16 mm)
- argilla (d <1/256 mm)
I diversi tipi di terreno, che si utilizzano durante l’attività, sono il risultato del verificarsi di fenomeni naturali capaci di trasformare la roccia originaria in materiale incoerente (attraverso processi come la degradazione meteorica, l’erosione, il trasporto e la deposizione), di cui uno dei principali agenti è proprio l’acqua.
Dalla granulometria dipende la permeabilità di un terreno, di terreno/suolo/roccia. La permeabilità è la facilità che ha un terreno/suolo/roccia di farsi attraversare dall’acqua.
In un terreno/suolo l’acqua di infiltrazione si muove attraverso numerosi piccoli vuoti intergranulari tra loro comunicanti. Si parla di permeabilità per porosità (primaria) in rocce porose sciolte, semicoerenti, coerenti. In una ghiaia e in una sabbia l’acqua attraversa gli spazi intergranulari: nella ghiaia gli spazi sono più ampi rispetto a quelli presenti nella sabbia perché aumentano proporzionalmente alla granulometria. L’acqua attraversa la ghiaia più facilmente ed è quindi più permeabile della sabbia (figura 5)
Si parla di permeabilità secondaria in rocce compatte (ad es. i calcari) che contengono pochi vuoti costituiti da fessure grandi e piccole e in rocce sedimentarie compatte per fenomeni di dissoluzione e/o carsismo (figura 6).
La permeabilità si misura generalmente come velocità e come unità di misura si usa il m/s.
La presenza dell’acqua nel sottosuolo e la sua possibilità di muoversi dipendono da alcuni fattori. Alla scala di osservazione dei singoli granelli che costituiscono un terreno, possiamo differenziare un’acqua igroscopica, un’acqua a pellicolare, un’acqua capillare, un’acqua gravifica (figura 7):
- l’acqua capillare si muove grazie al fenomeno della capillarità negli spazi intergranulari che presentano dimensioni capillari. Se gli spazi sono isolati quest’acqua, insieme a quella igroscopica e pellicolare, costituisce il complesso di ritenzione idrica, e non è soggetta a movimento
- l’acqua gravifica si muove in spazi continui e comunicanti secondo la legge di gravità. L’acqua gravifica è la sola di interesse idrogeologico ed è proprio quella che vedremo sgocciolare nei becker durante l’esperimento. L’acqua igroscopica, pellicolare e capillare non è visibile alla scala macroscopica.
- l’acqua igroscopica forma un sottile velo intorno alle cavità presenti alla superficie del singolo granello perché le molecole di acqua si comportano come dipoli fortemente attratti dalle molecole del granello.
- l’acqua pellicolare costituisce un secondo velo saldamente saldato al primo da forze elettriche. L’acqua igroscopica e pellicolare è difficilmente eliminabile: per esempio l’acqua igroscopica può essere estratta riscaldando la roccia a 105/110°C e l ‘acqua pellicolare per centrifugazione.
Bibliografia
- Il percorso dell’acqua – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado
- Prospezioni idrogeologiche, P. Celico – Liguori editore
Libri di testo in uso nella scuola secondaria di I grado:
- Wow la scienza, S. Zanoli, Mondadori
- Super Scienziati, C. Banfi, B. Mattarelli, E. Pagliari, E. Soroldoni, Fabbri
- Alla Scoperta, A. Alfano, V. Boccardi, E. De Masi, Fabbri
Autori
Antonia Smisi, I.C. Piazza Sauli – Scuola secondaria di i grado “A. Macinghi Strozzi”, Roma (RM)
Simona Meschiari, Scuola secondaria di primo grado “F. Montanari”, Mirandola (MO)