Barca che avanza con il sapone

Cosa imparerà

• Che la superficie dell'acqua si comporta come una pelle elastica che tira in tutte le direzioni (tensione superficiale).
• Che il sapone indebolisce quella pelle e che, se un lato tira meno dell'altro, la barca si muove verso il lato che tira di più.
• Che un esperimento deve poter essere ripetuto: perché serve acqua pulita ogni volta.
• A confrontare i modelli misurando le distanze in centimetri (tacca larga o stretta, barca leggera o pesante).

Prepara prima

• Stampa la sagoma al 100 % e ritaglia le sagome di carta A e B per usarle come modello.
• Lava la vaschetta con acqua calda e sapone e risciacquala molto bene con sola acqua; lasciala asciugare. Un residuo di grasso o di sapone sulla barca rovina tutto.
• Risciacqua la bacinella solo con acqua (senza sapone) e riempila con 4–5 cm d'acqua. Lasciala ferma 2 minuti prima di iniziare.
• Prepara un secchio e una caraffa per svuotare e riempire in fretta: ogni gara ha bisogno di acqua nuova.

Materiali e attrezzi

• Vaschetta di polistirolo — 1 (basta per 6 barche)
  della frutta o della carne, lavata con acqua calda e sapone e risciacquata molto bene; zona piatta di almeno 10 × 6 cm, 3–5 mm di spessore
• Detersivo per piatti liquido — 1 cucchiaino in un tappo
  qualsiasi; si usa la punta di uno stuzzicadenti intinta nel detersivo
• Bacinella o teglia da forno — 1
  di 40–50 cm, riempita con 4–5 cm di acqua pulita del rubinetto
• Stuzzicadenti — 5–6
  uno nuovo per ogni prova
• Acqua del rubinetto — ≈ 5 l per riempimento
  pulita e a temperatura ambiente; tieni un secchio per svuotare
• Pepe macinato o talco — 1 pizzico (facoltativo)
  per vedere come il sapone spinge la superficie
• Pennarello indelebile — 1
  per ricalcare la sagoma e decorare (gli altri colori possono rilasciare sostanze che rompono la tensione)

Attrezzi

• Forbici — ritagliare la barca
• Taglierino e tappetino da taglio — ritagliare la tacca stretta di 6 mm nelle vaschette spesse adulto
• Matita e penna scarica — segnare il contorno sul polistirolo (si segna premendo)
• Righello o metro a nastro — misurare la distanza percorsa
• Secchio o caraffa — cambiare l'acqua tra una prova e l'altra

Pezzi e sagome

• A · Barca migliorata con serbatoio ×1 — vaschetta di polistirolo 3–5 mm
• B · Barca classica (tacca a V) ×1 — vaschetta di polistirolo 3–5 mm
• C · Barca stretta da corsa ×1 — vaschetta di polistirolo 3–5 mm

Passo passo

1. Ricalca la barca

   Ritaglia la sagoma di carta A e appoggiala sulla parte piatta della vaschetta di polistirolo. Ripassa il contorno di 80 × 40 mm, il canale e il cerchio del serbatoio con una penna scarica, premendo perché resti il segno.

2. Ritaglia il contorno

   Ritaglia la barca con le forbici seguendo il segno: prima i lati dritti e poi la punta della prua (20 mm). Lascia la poppa (il lato dritto dietro) ben dritta.

   Verifica: La barca deve restare piatta: se la vaschetta era curva, usa solo la zona piatta del fondo.

3. Ritaglia il canale e il serbatoio adulto

   Taglia il canale largo 6 mm dalla poppa fino al serbatoio (18 mm) e fora il serbatoio girando la punta di una matita: lascia un buco di circa 7 mm, quindi finiscilo girandoci dentro la punta delle forbici finché arriva al segno di Ø 10 mm. Nelle vaschette spesse il canale lo taglia un adulto con il taglierino.

   Verifica: Il serbatoio arriva al segno di Ø 10 mm e, guardando controluce, il canale e il serbatoio formano un unico vuoto aperto dietro.

4. Fai anche la barca classica

   Ripeti con la sagoma B: contorno di 80 × 40 mm con la tacca a V larga 20 mm e profonda 15 mm. Ti servirà per confrontare i due modelli.

5. Prepara l'acqua

   Riempi la bacinella risciacquata solo con acqua (senza sapone) fino a 4–5 cm di altezza con acqua pulita del rubinetto. Lascia che resti completamente ferma per 2 minuti.

   Trucco: Se hai dubbi sul fatto che la bacinella sia pulita, spargi un pizzico di pepe: se resta sparso e fermo, l'acqua va bene.

6. Posiziona la barca

   Appoggia la barca A ben piatta sull'acqua, a un'estremità della bacinella, a circa 5 cm dalla parete e con la prua rivolta verso l'altra estremità. Lasciala andare con attenzione senza bagnare il ponte.

   Verifica: La barca galleggia ferma e non tocca la parete: se la tocca, l'acqua la «incolla» al bordo.

7. Intingi lo stuzzicadenti

   Intingi solo la punta (2–3 mm) di uno stuzzicadenti pulito nel tappo con il detersivo per piatti. Togli la goccia che pende sul bordo del tappo: ne serve pochissimo.

8. Tocca il serbatoio

   Tocca con la punta dello stuzzicadenti l'acqua che c'è dentro il serbatoio circolare, senza spingere la barca, e togli subito lo stuzzicadenti. Guarda come parte.

   Verifica: La barca parte in avanti in meno di 1 secondo e percorre 20–40 cm.

9. Misura il percorso

   Misura con il righello o il metro a nastro i centimetri che ha percorso la barca dalla partenza fino a dove si ferma, e annotali accanto al tipo di barca.

10. Cambia l'acqua

    Prima della prova successiva, svuota la bacinella nel secchio, risciacquala con acqua del rubinetto e riempila di nuovo fino a 4–5 cm. Con l'acqua saponata la barca non si muove più.

    Trucco: Un trucco per una seconda gara senza svuotare: usa la barca all'altra estremità con un po' più di sapone. Funziona 2–3 volte, ogni volta peggio.

11. Prova la barca classica

    Ripeti la prova con la barca B in acqua pulita, toccando il vertice della tacca a V con lo stuzzicadenti insaponato. Confronta la distanza e il tempo con la barca A.

    Verifica: B parte molto forte ma di solito percorre meno di A, perché il sapone esce tutto in una volta.

Funziona? La prova

In acqua pulita e ferma, metti la barca a 5 cm dalla parete, tocca il serbatoio con lo stuzzicadenti insaponato e misura la distanza percorsa. Ripeti 3 volte con acqua nuova ogni volta e calcola la media.

Cosa deve succedere: La barca A di polistirolo percorre 20–40 cm in 2–5 s; se la bacinella è piccola, arriva fino alla parete opposta. La barca B (tacca a V) parte più veloce ma di solito si ferma a 15–30 cm. Con l'acqua già saponata, nessuna delle due si muove.

Se qualcosa non va

• La barca non si muove per niente — L'acqua aveva già del sapone (bacinella risciacquata male o prova precedente) oppure la barca ha residui di sapone o di grasso. Soluzione: Svuota, risciacqua la bacinella solo con acqua e riempila di nuovo. Risciacqua la barca sotto il rubinetto e asciugala con della carta.
• Gira in tondo invece di andare dritta — Canale decentrato, barca asimmetrica oppure hai toccato un lato della tacca. Soluzione: Ritagliala di nuovo con la sagoma, con il canale esattamente al centro, e tocca l'acqua al centro del serbatoio.
• Resta attaccata alla parete — L'acqua forma un piccolo menisco che attira gli oggetti galleggianti verso il bordo. Soluzione: Parti sempre a 5 cm dalla parete e al centro del lato corto.
• La barca di cartone affonda dietro — Il cartone si è inzuppato e pesa di più. Soluzione: Usa il polistirolo, oppure rivesti il cartone con nastro da imballaggio su entrambe le facce e sui bordi.
• Avanza pochissimo e lentamente — Barca troppo pesante o spessa, oppure troppo poco sapone. Soluzione: Usa una vaschetta più sottile (3 mm) e intingi un po' di più la punta dello stuzzicadenti. La barca C, più stretta, avanza di più.
• Schizza via ma si ferma subito — Hai messo una goccia grande oppure il modello rilascia il sapone tutto in una volta (tacca larga). Soluzione: Usa meno sapone (solo la punta dello stuzzicadenti) e la barca A con canale stretto e serbatoio.

Sicurezza

• Non lasciare mai un bambino piccolo da solo con una bacinella d'acqua, anche se ce ne sono pochi centimetri.
• Il detersivo per piatti irrita gli occhi: se schizza, sciacqua con abbondante acqua. Non assaggiarlo.
• Il taglierino per il canale stretto lo usa un adulto, su un tappetino da taglio.
• Asciuga il pavimento alla fine: l'acqua saponata versata è molto scivolosa.
• Se provi con l'alcol, lo maneggia un adulto, una sola goccia e lontano da qualsiasi fiamma.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La superficie dell'acqua è come un tappeto elastico molto tirato che tira da tutte le parti. Se la barchetta è ferma, tirano allo stesso modo davanti e dietro e non si muove. Il sapone è come un paio di forbici che allentano il tappeto elastico proprio dietro la barca. Allora la parte davanti continua a tirare forte e quella dietro no, così la barca parte in avanti. Quando tutta l'acqua ha il sapone, il tappeto elastico resta allentato dappertutto e la barca non si muove più.

Per l'adulto

Le molecole d'acqua si attraggono tra loro tramite legami a idrogeno; in superficie questa attrazione non è compensata verso l'alto e compare una tensione superficiale di ≈ 72 mN/m: una forza per unità di lunghezza che agisce tangente alla superficie lungo qualsiasi linea, per esempio il contorno della barca. Finché la tensione è uguale su tutto il perimetro, le forze si annullano. Il detersivo è un tensioattivo: le sue molecole hanno una testa che si scioglie in acqua e una coda che la respinge, si dispongono in superficie e abbassano la tensione fino a ≈ 30 mN/m. Aggiungendolo a poppa, il tratto posteriore tira con meno forza di quello anteriore; la differenza (Δγ ≈ 0,04 N/m) moltiplicata per la larghezza della zona interessata (≈ 1–2 cm) dà una forza netta di 0,4–0,8 mN, sufficiente ad accelerare una barca di polistirolo di 0,3–0,5 g a più di 1 m/s². Inoltre il tensioattivo si espande rapidamente sulla superficie dalla zona a bassa tensione verso quella ad alta tensione (effetto Marangoni) e trascina l'acqua e la barca. Quando il monostrato di detersivo copre tutta la superficie, la tensione si uguaglia e la spinta scompare: per questo bisogna cambiare l'acqua. Un canale stretto con serbatoio dosa il tensioattivo e prolunga la spinta. Alcuni insetti acquatici (Stenus, Velia) secernono sostanze tensioattive per fuggire allo stesso modo.

• tensione superficiale: la «pelle» elastica che l'acqua forma sulla sua superficie e che tira in tutte le direzioni.
• tensioattivo: sostanza come il sapone che indebolisce la pelle dell'acqua.
• propulsione: la spinta che fa avanzare qualcosa.
• forze equilibrate: quando tirano allo stesso modo da tutte le parti e niente si muove.
• variabile: l'unica cosa che cambi in un esperimento per vedere che effetto ha.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto ritaglia le barche e prepara l'acqua. Il bambino posiziona la barca, intinge lo stuzzicadenti e tocca il serbatoio. L'importante: «il sapone allenta la pelle dell'acqua dietro». L'esperimento del pepe piace tantissimo.
• 8–10 anni: Ritagliano da soli le barche A e B con la sagoma, misurano le distanze e confrontano. Lascia che scoprano perché bisogna cambiare l'acqua.
• 11–12 anni: Progettano la propria barca (forma, larghezza del canale, dimensione del serbatoio), cambiano una sola variabile alla volta e fanno una tabella con le medie di 3 prove. Sfida: calcolare la velocità media (cm/s) con un cronometro.

In gruppo o in classe

Squadre di 3–4 bambini, ognuno con la sua barca e una teglia da forno o una bacinella per squadra. Prepara prima una postazione dell'acqua (secchio e caraffe) e un'altra per svuotare, e ritaglia in anticipo i canali se le vaschette sono spesse. Sessione di 40 min: 10 min di ritaglio con le sagome, 20 min di prove con acqua nuova (il turno per svuotare e riempire ruota nella squadra), 10 min di gara finale in una vaschetta lunga e confronto delle distanze alla lavagna. Tieni un flacone piccolo di detersivo per piatti e degli stuzzicadenti per ogni squadra.

Sfide

• Progetta una barca che percorra più di 50 cm in una vasca da bagno.
• Fai una barca che giri in tondo mettendo il canale in un angolo.
• Costruisci una barca con due serbatoi e falle fare due accelerate di seguito.
• Scopri quale larghezza del canale dà più distanza provando 3, 6 e 10 mm.
• Cerca quali insetti si muovono così sull'acqua e disegnane uno.

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• Cannone ad anelli d'aria
• Colonna di cinque liquidi
• Depuratore d'acqua a strati
• Fazzoletto asciutto sott'acqua
• Graffetta che galleggia sull'acqua
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