Barca pop-pop a candela

Cosa imparerà

• Che l'acqua, scaldandosi, cambia stato (liquido → vapore) e occupa circa 1.600 volte più volume.
• Che il vapore, raffreddandosi, torna acqua (condensazione) e lascia spazio, e che questo ciclo si ripete molte volte al secondo.
• Che cos'è la propulsione a getto: spingere l'acqua indietro fa andare la barca in avanti (azione e reazione).
• Che una barca galleggia se sposta un peso d'acqua uguale al proprio (scafo di 15 × 8 cm: affonda solo 4–5 mm).
• Regole di sicurezza reali con il fuoco e gli oggetti caldi.

Prepara prima

• Lava il brick con acqua e sapone, aprilo lungo gli spigoli e lascialo asciugare in piano.
• Stampa le sagome al 100 % (controlla la linea rossa di 50 mm nell'intestazione). Quella della serpentina è a grandezza naturale: il tubo si piega sopra il disegno.
• Verifica che il tubo di rame sia aperto da entrambi i lati: soffia da una punta o spingi acqua con la siringa.
• Riempi la vasca con 5–10 cm d'acqua e allontana dal bordo asciugamani, tende e carte. Lega i capelli lunghi.
• Tieni a portata di mano l'accendino lungo e uno strofinaccio bagnato.

Materiali e attrezzi

• Tubo di rame morbido (ricotto) — 40 cm (se ne usano 32 cm; il resto è di scorta) da comprare
  Ø esterno 3 mm, parete 0,5 mm (negozio di modellismo, ferramenta o «tubo capillare» da refrigerazione)
• Lumino (tealight) — 2 (uno di scorta) da comprare
  Ø 38 mm, alto 12 mm, nella sua coppetta di alluminio, durata 3–4 h
• Brick da 1 litro — 1
  di latte o succo, lavato e asciutto (cartone plastificato: non si bagna)
• Plastilina — ≈ 20 g
  per fissare i tubi alla poppa, la candela al fondo e l'albero; serve anche da zavorra
• Carta stagnola (alluminio) — 1 pezzo di 15 × 15 cm
  piegata in 4 strati (quadrato di 40 × 40 mm) sotto la candela, per proteggere lo scafo dal calore
• Nastro americano — ≈ 30 cm
  per fissare gli angoli dello scafo dall'esterno
• Stuzzicadenti — 2
  uno per l'albero (≈ 65 mm) e uno di scorta
• Carta colorata — 1 pezzo di 6 × 5 cm
  vela della barca
• Siringa senza ago — 1
  5–10 ml, per riempire il tubo d'acqua
• Matita — 1
  Ø 7–8 mm, per avvolgere la serpentina
• Vasca da bagno, bacinella o piscina gonfiabile — 1
  lunga almeno 50 cm e con 5 cm d'acqua

Attrezzi

• Taglierino, righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare il brick adulto
• Forbici — ritagliare sagome, vela di carta e nastro
• Penna scarica — segnare le pieghe dello scafo
• Tagliatubi o lima sottile — tagliare il tubo di rame senza schiacciarne le punte (con la lima: incidere tutto attorno e piegare) adulto
• Accendino lungo da cucina — accendere la candela dentro la barca adulto
• Strofinaccio bagnato — tenerlo a portata di mano nel caso qualcosa prenda fuoco fuori dalla barca (la candela si spegne soffiando) adulto

Pezzi e sagome

• A · Scafo (vaschetta di brick) ×1 — brick (cartone plastificato)
• B · Vela ×1 — carta colorata
• C · Sagoma per piegare la serpentina (grandezza naturale, vista laterale) ×1 — carta
• D · Tubo di rame ×1 — tubo di rame Ø 3 mm
• E · Piastrina di alluminio ×1 — carta stagnola in 4 strati

Passo passo

1. Taglia lo scafo adulto

   Incolla o ricalca la sagoma A (190 × 120 mm) sulla faccia interna del brick aperto; un adulto la taglia con taglierino e righello. Se lo spigolo del brick attraversa il rettangolo, appiattiscilo con l'unghia: non importa.

2. Piega la vaschetta

   Segna le 4 pieghe dritte con la penna scarica e il righello e solleva le pareti di 20 mm. In ogni angolo, pizzica la diagonale verso l'esterno formando un'orecchia triangolare e piegala contro la parete corta.

   Verifica: Le pareti restano dritte e il fondo misura 150 × 80 mm.

3. Sigilla gli angoli

   Fissa ogni orecchia contro la parete con un pezzo di nastro americano di 6 cm che abbracci l'angolo dall'esterno. Non fare tagli né fori nello scafo.

4. Prova di galleggiamento

   Metti lo scafo vuoto in acqua per 2 minuti e poi guarda dentro. Poi metti dentro il lumino e il tubo di rame ancora dritto (pesa come quando sarà serpentina) per vedere come galleggia con il peso.

   Verifica: Non entra nemmeno una goccia e lo scafo affonda solo 4–5 mm con tutto il peso.

5. Avvolgi la serpentina adulto

   Un adulto taglia 32 cm di tubo di rame con il tagliatubi; segnane il centro, a 16 cm. Appoggia quel punto sulla matita e avvolgi 3 giri stretti, piano, con le due gambe che escono dallo stesso lato. Sfila la matita ruotandola.

   Trucco: Piega con i pollici vicino alla matita, senza strattoni: se il tubo si appiattisce, non serve più (l'acqua non passa).

6. Piega le gambe con la sagoma adulto

   Metti la serpentina sulla sagoma C e piega le due gambe insieme: tratto orizzontale di 60 mm, gomito a 90° verso il basso di 30 mm e un altro gomito a 90° all'indietro di 14 mm. Fai ogni gomito sulla matita perché sia arrotondato.

   Verifica: Il tubo coincide con il disegno e le due punte sono alla stessa altezza. Se una punta sporge più di 1 cm oltre il disegno, l'adulto la accorcia con il tagliatubi perché le due misurino uguale.

7. Verifica che il tubo lasci passare l'acqua

   Infila una punta del tubo nella siringa (o circondala con un pezzetto di tubo morbido) e spingi acqua: dall'altra punta deve uscire un getto continuo.

   Verifica: Se non esce acqua, c'è un gomito schiacciato: rifai quel tratto.

8. Sistema il lumino

   Metti la piastrina di alluminio E di 40 × 40 mm sul fondo, sul segno a 65 mm dalla poppa, e il lumino sopra, centrato. Fissalo con una pallina di plastilina perché non scivoli.

9. Monta la serpentina

   Appoggia le due gambe sul bordo della parete di poppa, con la serpentina proprio sopra lo stoppino, come nella sagoma C: il suo centro a 25 mm dal fondo (≈ 13 mm sopra la cera), in modo che la parte bassa dei giri resti a 3–5 mm dalla punta dello stoppino, dentro la fiamma. Fissa le gambe al bordo con un bel grumo di plastilina. Le punte restano all'esterno, rivolte indietro, sotto il fondo.

   Verifica: Guardando di lato, la serpentina è centrata sopra lo stoppino e le punte sono 10 mm sotto il fondo dello scafo.

10. Metti l'albero ed equilibra

    Pianta lo stuzzicadenti con la vela B in una pallina di plastilina di 1 cm attaccata vicino alla prua. Metti la barca in acqua: se affonda di poppa, aggiungi plastilina a prua finché non è in piano.

11. Riempi il tubo d'acqua

    Con la barca in acqua, infila la siringa piena d'acqua in una delle punte (sott'acqua) e spingi finché dall'altra non escono bolle e poi acqua. Togli la siringa senza sollevare le punte dall'acqua.

    Verifica: Non restano bolle: il tubo è pieno d'acqua da una punta all'altra.
    Trucco: Puoi anche riempirlo immergendo la serpentina in un bicchiere e aspirando con una cannuccia dall'altra punta (senza bere).

12. Accendi (solo un adulto) adulto

    L'adulto accende la candela con l'accendino lungo, senza inclinare la barca. Tieni ferma la barca delicatamente per 30–60 secondi mentre la serpentina si scalda e lasciala quando senti la prima spinta.

    Verifica: Dopo un minuto si sentono deboli schiocchi, escono bollicine dalle punte e la barca avanza da sola.

13. Naviga e spegni adulto

    Osserva per qualche minuto, cronometrando quanto impiega a percorrere 50 cm. Per spegnere, l'adulto soffia di lato, a filo della candela e sotto la serpentina (non si può coprire con un bicchiere: la serpentina è sopra). Aspetta 5 minuti prima di toccare la serpentina.

Funziona? La prova

Nella vasca, segna con due oggetti una distanza di 50 cm. Lascia andare la barca con la candela già accesa e il tubo pieno, e cronometra.

Cosa deve succedere: Comincia a muoversi 30–60 s dopo l'accensione, con un leggero «tac-tac» e bollicine a poppa, e avanza dritta a circa 2–5 cm/s (50 cm in 10–25 s). Continua a navigare finché c'è candela e acqua nel tubo.

Se qualcosa non va

• La candela brucia ma la barca non si muove — Nel tubo c'è aria o si è svuotato. Soluzione: Spegni, lascia raffreddare 2 minuti e riempi di nuovo il tubo con la siringa, con le punte sott'acqua.
• Fa bolle molto grandi e poi si ferma — Le punte sono quasi in superficie ed entra aria. Soluzione: Piega le punte più in basso (almeno 10 mm sotto il fondo) o aggiungi plastilina a poppa.
• Non parte anche se il tubo è pieno — La serpentina è troppo alta o troppo bassa (spegne la fiamma) rispetto allo stoppino. Soluzione: Regola come nella sagoma C: centro della serpentina a 25 mm dal fondo (≈ 13 mm sopra la cera), con la parte bassa dei giri dentro la fiamma.
• Gira in tondo — Le punte non sono rivolte dritte all'indietro o la barca è storta. Soluzione: Raddrizza le due punte parallele all'asse della barca ed equilibra con plastilina.
• Entra acqua nello scafo — Angolo piegato male o nastro staccato. Soluzione: Asciuga, ripiega l'orecchia e metti nastro americano nuovo all'esterno; oppure passa a una scatoletta di sardine.
• La candela si spegne — La serpentina è troppo vicina e soffoca la fiamma, o la cera allaga lo stoppino. Soluzione: Alza la serpentina di 3–4 mm e usa una candela nuova.

Sicurezza

• Fuoco: accende e spegne sempre un adulto, con l'accendino lungo; non lasciare mai la barca accesa senza sorveglianza.
• La serpentina di rame supera i 100 °C: non toccarla prima che siano passati 5 minuti dallo spegnimento. Anche la cera e la coppetta del lumino scottano.
• Naviga solo in acqua, lontano da tende, asciugamani e carta. Capelli lunghi legati e niente vestiti larghi sopra la vasca.
• Il taglierino e il taglio del tubo di rame sono compito di un adulto; le punte del tubo possono tagliare: carteggiale.
• Per spegnere, soffia di lato, a filo della candela e sotto la serpentina (un bicchiere non ci sta: la serpentina è sopra). Non versare mai acqua sulla cera calda fuori dalla vasca (schizza).

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Dentro il tubicino c'è acqua. La candela la scalda così tanto che diventa vapore, che ha bisogno di moltissimo più spazio e spinge l'acqua fuori dal retro della barca, plof! Uscendo dal calore, il vapore si raffredda, torna acqua e lascia un vuoto, così il tubo risucchia di nuovo acqua. Succede molte volte ogni secondo, come un cuore che batte. Siccome l'acqua esce a getto all'indietro ma entra da tutte le parti, la barca va in avanti.

Per l'adulto

È un motore «pop-pop» a serpentina, una macchina termica senza parti mobili. La fiamma scalda l'acqua della serpentina oltre i 100 °C e si forma una bolla di vapore (il vapore a pressione atmosferica occupa ≈ 1.600 volte il volume dell'acqua). La bolla cresce ed espelle acqua dalle due punte; arrivando nelle zone fredde del tubo, il vapore condensa, la pressione scende sotto quella atmosferica e l'acqua rientra. Il ciclo, un'oscillazione di rilassamento, si ripete a diversi hertz. Anche se il volume d'acqua che esce è uguale a quello che entra, la spinta netta non è nulla: l'acqua esce in un getto diretto all'indietro (molta quantità di moto in una direzione), mentre durante l'aspirazione entra da tutte le direzioni attorno all'imboccatura. La forza netta è piccola (millinewton), sufficiente a muovere a 2–5 cm/s uno scafo di ≈ 50 g, che per il principio di Archimede affonda ≈ 50 cm³ / (15 × 8 cm²) ≈ 4 mm. Il tubo di rame da 3 mm è la chiave: conduce molto bene il calore (≈ 400 W/m·K) e il suo diametro piccolo evita che l'acqua esca ed entri a fiotti. Il rendimento è bassissimo (meno dello 0,1 % dei ≈ 30 W che dà un lumino), ma si vedono dal vivo il cambiamento di stato, la condensazione e la terza legge di Newton.

• vapore: acqua trasformata in gas dal calore.
• condensazione: quando il vapore si raffredda e torna acqua liquida.
• propulsione a getto: avanzare spingendo all'indietro un getto di liquido o di gas.
• galleggiamento: un oggetto galleggia se sposta un peso d'acqua uguale al proprio.
• serpentina: tubo avvolto a spirale per scaldare o raffreddare ciò che vi scorre dentro.

Per età

• 5–7 anni: Sconsigliato costruirla: l'adulto la prepara e il bambino decora la vela e lo scafo, riempie il tubo con la siringa e osserva, sempre a distanza dal fuoco.
• 8–10 anni: Costruiscono lo scafo, sistemano la candela e la sagoma e riempiono il tubo; l'adulto piega il rame e maneggia il fuoco. Chiedi loro di spiegare con parole proprie che cosa vedono alle punte.
• 11–12 anni: Piegano la serpentina con la sagoma (con supervisione), misurano la velocità e confrontano le serpentine. Sfida: calcolare quanto affonda lo scafo con il suo peso e verificarlo con un righello.

In gruppo o in classe

Squadre di 4, con un adulto ogni 2–3 squadre per via del fuoco. Prima della sessione: l'insegnante taglia gli scafi e prepara le serpentine (avvolgere una serpentina per squadra, 6–7 in una classe di 25, richiede tempo) e ne prova una. Sessione di 60 min: 20 min scafo e montaggio, 10 min riempimento, 20 min di «porto» con 2–3 bacinelle grandi e candele accese solo dagli adulti, 10 min di discussione finale. Niente accendini sui banchi; un estintore o una coperta antifiamma a portata di mano.

Sfide

• Fai in modo che la tua barca porti un carico di 10 g (una moneta) senza affondare né fermarsi.
• Costruisci una barca con due serpentine e due candele e confronta la velocità.
• Progetta un timone che la faccia girare in un cerchio costante.
• Costruisci una barca pop-pop a membrana con una lattina di bibita (cerca come funziona il classico «pop-pop» che fa rumore).

Altri progetti gratis

• Aeroplano di carta da planata
• Hovercraft con un CD
• Razzo-palloncino su un filo
• Auto a palloncino
• Lanciarazzi ad aria compressa
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• Razzo ad aceto e bicarbonato
• Auto solare con cinghia di trasmissione

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