Bussola ad ago galleggiante

Cosa imparerà

• Che un pezzo di acciaio si può trasformare in magnete strofinandolo sempre nello stesso verso, e che si smagnetizza se lo si strofina avanti e indietro o lo si scalda.
• Che la Terra si comporta come un magnete gigante e che un ago magnetizzato libero di ruotare si allinea con il suo campo, puntando verso nord.
• Perché l'acqua fa da cuscinetto quasi senza attrito e che cosa succede alla bussola se sfrega contro la parete della ciotola.
• A orientarsi: trovare nord, sud, est e ovest in casa o in cortile e leggere le direzioni in gradi.

Prepara prima

• Stampa la rosa al 100 % e verifica che misuri 124 mm di diametro.
• Taglia le rondelle di sughero di 5–8 mm prima della sessione (un adulto, con un coltello seghettato su un tagliere).
• Verifica che l'ago sia di acciaio: avvicinagli il magnete; se non lo attrae, non servirà.
• Scegli il posto della prova: tavolo di legno o plastica, lontano da termosifoni, altoparlanti, frigoriferi e cellulari.
• Scopri dov'è il nord in quella stanza con la bussola del cellulare e segna una freccia sul tavolo con il nastro di carta (per verificare alla fine).

Materiali e attrezzi

• Magnete al neodimio — 1 da comprare
  disco Ø 10–20 mm (N35 o superiore); va bene anche una calamita da frigorifero forte o un magnete da altoparlante
• Ago da cucito — 1–2
  di acciaio, lungo 40–50 mm (ago da lana o da cucito grosso); non di acciaio inossidabile austenitico né di ottone
• Tappo di sughero — 1
  da vino, Ø 22–25 mm, per tagliarne una rondella di 5–8 mm
• Ciotola trasparente — 1
  di vetro o plastica, Ø 15–20 cm, senza parti metalliche
• Acqua — ≈ 0,5–1 l
  del rubinetto, fino a 1 cm sotto il bordo della ciotola
• Carta e cartone — 1 foglio A4 + 1 quadrato di cartone di 15 × 15 cm
  per stampare la rosa dei venti e incollarla sul cartone
• Nastro adesivo e pennarello rosso — 2 strisce da 1 cm + 1 pennarello indelebile
  per fissare l'ago al sughero e segnare la punta nord
• Busta di plastica trasparente — 1
  per proteggere la rosa dall'acqua (o plastificarla)

Attrezzi

• Coltello seghettato o taglierino — tagliare la rondella di sughero adulto
• Forbici — ritagliare la rosa e il galleggiante di polistirolo
• Colla stick — incollare la rosa sul cartone
• Pinze (solo se attraversi il sughero) — spingere l'ago senza pungersi adulto
• Cellulare con bussola — verificare il nord

Pezzi e sagome

• A · Rosa dei venti ×1 — carta incollata su cartone
• B · Galleggiante (se usi polistirolo) ×1 — polistirolo da vaschetta (3–5 mm)
• C · Ago ×1 — ago da cucito di acciaio 40–50 mm

Passo passo

1. Prepara la rosa

   Ritaglia la rosa dei venti di Ø 124 mm, incollala con la colla stick su un quadrato di cartone di 15 × 15 cm e mettila in una busta di plastica trasparente.

   Verifica: La rosa resta piatta e la N rossa si legge bene.

2. Verifica l'ago

   Avvicina l'ago a una graffetta: non deve attrarla (non è ancora un magnete). Poi avvicina il magnete all'ago: deve attrarlo. Così sai che è di acciaio.

   Verifica: Se il magnete non attrae l'ago, cambialo: è di un metallo che non va bene.

3. Magnetizza l'ago

   Tieni l'ago per la cruna sul tavolo. Appoggia una faccia del magnete vicino alla cruna e fallo scorrere fino alla punta, senza premere. Solleva il magnete ad arco, torna alla cruna passando per l'aria e ripeti 40 volte, sempre nello stesso verso e con la stessa faccia.

   Verifica: Avvicina la punta a una graffetta: deve sollevarla o almeno muoverla.
   Trucco: Contate ad alta voce di 10 in 10. Non strofinare mai avanti e indietro: la seconda passata disfa la prima.

4. Taglia il galleggiante adulto

   Un adulto taglia con un coltello seghettato una rondella di 5–8 mm da un tappo di sughero, su un tagliere. Se non c'è sughero, ritaglia il disco B di Ø 30 mm da una vaschetta di polistirolo.

5. Fissa l'ago al galleggiante

   Appoggia l'ago sopra il disco, passando per il centro e sporgendo ugualmente dai due lati. Fissalo con due strisce di nastro adesivo da 1 cm, una per lato rispetto al centro.

   Verifica: Metti il disco con l'ago sul polpastrello: si equilibra senza inclinarsi da un lato.
   Trucco: Se preferisci attraversare il sughero, la rondella deve essere di 8 mm e l'adulto spinge l'ago con le pinze attraverso il centro del bordo.

6. Riempi la ciotola

   Metti la ciotola trasparente sulla rosa, centrata, e riempila d'acqua fino a 1 cm sotto il bordo. Fallo su un tavolo di legno e lontano da cellulari, altoparlanti e termosifoni.

   Verifica: Guarda di lato: l'acqua arriva quasi al bordo.

7. Fai galleggiare la bussola

   Posa il galleggiante con l'ago sull'acqua, al centro della ciotola, con un movimento delicato. Togli le mani e aspetta 10–20 secondi senza toccare il tavolo.

   Verifica: L'ago ruota un po', oscilla e si ferma sempre nella stessa direzione.
   Trucco: Se va verso la parete e si attacca, spingilo di nuovo al centro con uno stuzzicadenti e lascialo andare delicatamente: in una ciotola larga (Ø 15–20 cm) ci mette un po' a tornare alla parete e ha il tempo di orientarsi.

8. Scopri la punta nord

   Confronta con la bussola del cellulare (o con la freccia di nastro della preparazione). Segna con il pennarello rosso la punta dell'ago che indica il nord.

   Verifica: Gira il galleggiante di mezzo giro con lo stuzzicadenti e lascialo: deve tornare con la punta rossa verso nord.

9. Orienta la rosa

   Senza muovere la ciotola, gira il cartone della rosa da sotto finché la N rossa resta proprio sotto la punta rossa dell'ago. Ora puoi leggere l'est, il sud, l'ovest e tutte le direzioni intermedie.

10. Leggi le direzioni

    Guarda verso la porta, la finestra e altri punti della stanza e scrivi in che direzione si trovano (per esempio, «la finestra è a SE, a 135°») leggendo le tacche di 5° della rosa.

    Verifica: La porta e la finestra danno sempre la stessa direzione anche se sposti la ciotola sul tavolo (lontano dai metalli). Se la rosa ruota quando sposti la ciotola, rimettila con la N sotto la punta rossa prima di leggere.

Funziona? La prova

Fai galleggiare la bussola 3 volte di seguito, girandola ogni volta in una posizione diversa, e confronta la direzione finale con la bussola del cellulare.

Cosa deve succedere: In 10–20 s l'ago si ferma e punta sempre nello stesso punto, con un errore di 5–10° rispetto al cellulare. In Spagna il nord magnetico e quello geografico sono quasi allineati (differenza di 0–2°).

Se qualcosa non va

• L'ago non si orienta: resta dove lo lasci — Ago poco magnetizzato o sfrega contro la parete della ciotola. Soluzione: Magnetizzalo con altre 40 passate (sempre nello stesso verso) e tieni il galleggiante lontano dalla parete.
• Il galleggiante va sempre verso la parete — Il menisco: vicino alla parete l'acqua sale un po' sul vetro e il galleggiante «cade» in salita verso di essa (effetto Cheerios). Riempire di più la ciotola non lo evita finché l'acqua resta sotto il bordo. Soluzione: Usa una ciotola larga (Ø 20 cm) e lascia il galleggiante proprio al centro; se si avvicina alla parete, riportalo al centro con uno stuzzicadenti. Trucco: se riempi la ciotola finché l'acqua forma una cupola sopra il bordo (con la ciotola su un vassoio), il menisco si inverte e il galleggiante resta al centro.
• Punta in un posto diverso dal cellulare — C'è del ferro vicino (gambe del tavolo, termosifone, altoparlante) o il cellulare stesso devia l'ago. Soluzione: Prova su un tavolo di legno o sul pavimento e allontana il cellulare di almeno 30 cm quando confronti.
• Il galleggiante si ribalta e l'ago affonda — Disco troppo piccolo o ago non centrato. Soluzione: Usa un disco di Ø 25–30 mm e centra l'ago; il polistirolo è più stabile del sughero sottile.
• Il giorno dopo non funziona più così bene — L'ago perde magnetizzazione con urti, calore o se è stato vicino a un altro magnete. Soluzione: Magnetizzalo di nuovo con 40 passate; conservalo lontano dai magneti.
• La punta nord ha cambiato lato — L'hai magnetizzato di nuovo con l'altra faccia del magnete o nel verso contrario. Soluzione: Verifica di nuovo con il cellulare e correggi il segno rosso.

Sicurezza

• L'ago punge: l'adulto lo consegna e lo ritira; non si mette mai in bocca né in tasca.
• La rondella di sughero la taglia un adulto con un coltello seghettato su un tagliere, tagliando verso l'esterno.
• I magneti al neodimio pizzicano se due si uniscono e sono molto pericolosi se ingoiati: fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.
• Tieni il magnete lontano da cellulare, carte bancarie e pacemaker.
• Asciuga l'acqua versata per evitare scivoloni e, se la ciotola è di vetro, mettila su una superficie stabile.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Dentro l'ago ci sono tantissimi magneti minuscoli, ognuno girato da una parte, come bambini durante la ricreazione. Strofinandolo con il magnete sempre allo stesso modo, si mettono tutti in fila girati dalla stessa parte, come in una formazione: l'ago è diventato un magnete. La Terra intera è un magnete gigante, e l'ago vuole allinearsi con lei. L'acqua lo lascia girare quasi senza frenare, per questo finisce per indicare sempre il nord.

Per l'adulto

L'acciaio dell'ago è ferromagnetico: è formato da domini magnetici orientati a caso, per cui la sua magnetizzazione netta è quasi nulla. Passando ripetutamente un magnete nello stesso verso, i domini allineati con il campo del magnete crescono a scapito degli altri e, per l'isteresi dell'acciaio al carbonio, parte di quell'orientamento rimane: l'ago resta magnetizzato (rimanenza). Strofinarlo avanti e indietro, colpirlo o scaldarlo disordina di nuovo i domini. Il campo magnetico terrestre (≈ 45 µT in Spagna, con un'inclinazione di circa 55° verso il basso) esercita una coppia sul momento magnetico dell'ago, τ = m·B·sen θ, che tende ad allinearlo con la componente orizzontale del campo. Il galleggiante annulla la componente verticale (l'ago non può inclinarsi) e l'acqua agisce come un cuscinetto ad attrito quasi nullo: la coppia, anche se piccolissima, basta a farlo ruotare. Vicino alla parete, il menisco crea una pendenza della superficie che trascina il galleggiante verso il bordo (effetto «Cheerios»). Il polo nord dell'ago punta verso il polo nord geografico, dove in realtà c'è un polo sud magnetico. La declinazione magnetica nella penisola iberica oggi è di 0–2°, quindi nord magnetico e geografico quasi coincidono. La bussola ad acqua cinese (secoli XI–XII) usava esattamente questo principio.

• magnetizzare: trasformare un pezzo di ferro o di acciaio in un magnete.
• polo: ciascuna delle due estremità di un magnete, nord e sud, dove la sua forza è maggiore.
• campo magnetico terrestre: la forza magnetica che circonda tutta la Terra.
• rosa dei venti: disegno con i punti cardinali che serve per leggere le direzioni.
• rotta: direzione verso cui vai, misurata in gradi a partire dal nord.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto magnetizza l'ago e lo attacca al galleggiante; il bambino conta le passate ad alta voce, mette la bussola nell'acqua e cerca con l'adulto che cosa c'è a nord della stanza. Concentrarsi su «torna sempre nello stesso punto».
• 8–10 anni: Fanno tutto tranne tagliare il sughero. Fai verificare la magnetizzazione con una graffetta, trovare la punta nord con il cellulare e orientare la rosa.
• 11–12 anni: Fai leggere le direzioni in gradi, confrontare con il cellulare in vari posti e fare l'esperimento del numero di passate con una tabella e un grafico.

In gruppo o in classe

Coppie, una bussola per coppia (basta 1 magnete ogni due coppie). Prima: stampare le rose, tagliare rondelle di sughero o dischi di polistirolo, preparare ciotole d'acqua sui tavoli lontano dai termosifoni e segnare il nord reale sulla lavagna. Sessione di 40 min: 10 min per magnetizzare, 10 min di montaggio, 20 min di verifica (tutti gli aghi della classe dovrebbero puntare allo stesso modo: foto!). Alla fine raccogli e conta gli aghi.

Sfide

• Costruisci una bussola che funzioni senza acqua: appendi l'ago magnetizzato a un filo legato al suo centro.
• Costruisci una scatola-bussola di cartone con coperchio trasparente per portarla in cortile senza rovesciare l'acqua.
• Organizza una caccia al tesoro con indizi in direzioni («20 passi verso NE»).
• Magnetizza due aghi e mettili su due galleggianti nella stessa ciotola: osserva che cosa fanno e spiegalo.

Altri progetti gratis

• Graffetta sospesa da un magnete
• Elettromagnete con interruttore
• Motore a bobina e pila
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