Cannone ad anelli d'aria

Cosa imparerà

• Che l'aria è materia: ha una massa, si può spingere e può abbattere cose a distanza.
• Che cos'è un anello di vortice: l'aria che esce dal bordo del foro rallenta, si arrotola e forma una ciambella rotante che viaggia molto più lontano di un soffio.
• Che conta la grandezza del foro rispetto alla scatola: con un foro pari a 1/3 del lato della scatola escono gli anelli migliori.
• A rendere visibile l'invisibile con il fumo e a misurare la gittata in modo corretto.

Prepara prima

• Stampa la sagoma A (foro di Ø 100 mm) e la B (adattatore di Ø 60 mm) al 100 % e verifica la linea rossa di 50 mm nell'intestazione di ogni foglio.
• Scegli un corridoio o una stanza con 4–5 m liberi e senza correnti d'aria (chiudi le finestre).
• Se userai l'incenso, togli o copri temporaneamente il rilevatore di fumo (e rimettilo dopo) e prepara una finestra per arieggiare alla fine.
• Prepara sul pavimento, con del nastro, dei segni a 1, 2, 3, 4 e 5 m dalla linea di tiro.

Materiali e attrezzi

• Scatola di cartone media — 1
  di 25–40 cm di lato, possibilmente quasi cubica (per es. 30 × 30 × 30 cm), in buono stato e senza buchi
• Sacco della spazzatura grande — 1
  di 50 × 60 cm o più, plastica sottile (20–30 µm), senza buchi
• Nastro americano o da imballaggio — 1 rotolo
  largo 5 cm, per sigillare le giunture e fissare la membrana
• Elastici grandi — 2
  di 15–20 cm di circonferenza; fanno da molla: riportano la membrana al suo posto dopo ogni colpo
• Bicchieri di carta o di plastica sottile — 6–10
  leggeri, di 2–4 g ciascuno
• Bastoncino d'incenso — 1 (facoltativo)
  per rendere visibile l'anello; lo accende un adulto
• Foglio A4 e colla stick — 1
  per la sagoma del foro

Attrezzi

• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare il foro e la faccia posteriore adulto
• Compasso o sagoma di Ø 100 mm — tracciare il foro ben rotondo
• Forbici — ritagliare la membrana e rifinire il bordo del foro
• Metro a nastro da 5 m — misurare la gittata
• Accendino (solo per l'incenso) — accendere l'incenso adulto

Pezzi e sagome

• A · Sagoma del foro principale ×1 — carta (sagoma per tracciare)
• B · Adattatore per foro piccolo ×1 — cartoncino sottile (scatola di cereali) o cartoncino da 300 g/m²
• C · Faccia anteriore della scatola ×1 — cartone della scatola stessa
• D · Membrana ×1 — plastica di sacco della spazzatura
• E · Maniglia ×1 — nastro americano

Passo passo

1. Chiudi e sigilla la scatola

   Chiudi tutti i lembi della scatola e metti del nastro su tutte le giunture e gli angoli, anche quelli della base (la faccia appoggiata sul tavolo). Qualsiasi fessura lascia scappare aria e indebolisce l'anello.

   Verifica: Stringi la scatola con le due mani vicino all'orecchio: non si deve sentire aria che fischia dalle giunture.

2. Segna il foro

   Sulla faccia anteriore, traccia le due diagonali con il righello per trovare il centro. Metti la sagoma A centrata e disegna il cerchio di 100 mm.

3. Taglia il foro adulto

   Un adulto taglia il cerchio con il taglierino, con tagli corti e seguendo la linea. Rifinisci con le forbici ogni punta o pelucco perché il bordo resti liscio e rotondo.

   Verifica: Il bordo non deve avere rientranze né lembi di cartone: passaci il dito e deve essere liscio.

4. Apri la faccia posteriore adulto

   Sulla faccia posteriore (quella opposta al foro), traccia un quadrato lasciando una cornice di 20 mm sui 4 lati. Un adulto lo taglia con il taglierino e lo toglie. La cornice dà rigidità e fa da appoggio alla membrana.

5. Taglia la membrana

   Apri il sacco della spazzatura tagliandolo lungo i lati e taglia un quadrato di 360 × 360 mm (D), senza pieghe né buchi.

6. Incolla la membrana con gioco

   Metti la membrana sulla faccia posteriore aperta, centrata: copre la cornice e avanzano circa 2–3 cm per lato, che si ripiegano sulle pareti laterali. Fissa questo avanzo alle pareti con nastro americano sui 4 lati, lasciando il centro lento di 2–3 cm (in modo che si possa affondare con la mano). Sigilla tutto il contorno senza spazi.

   Verifica: Spingi il centro della membrana con il palmo: deve affondare di 2–3 cm e deve uscire aria dal foro (senti il soffio con l'altra mano davanti).

7. Metti la maniglia

   Incolla un quadrato di nastro americano di 80 × 80 mm al centro della membrana e sopra una striscia di 150 mm piegata a maniglia (E). Fai passare i 2 elastici nella maniglia, uno verso sinistra e uno verso destra, e fissa le loro estremità con nastro alle pareti laterali, a 2–3 cm dal bordo posteriore, un po' tesi: il sacco non torna da solo al suo posto e gli elastici lo rimettono a posto dopo ogni colpo.

   Verifica: Affonda il centro con la mano e lascia: gli elastici devono riportare la membrana al suo posto in meno di 1 secondo. Se no, tendi un po' di più gli elastici.

8. Prepara il bersaglio

   Costruisci una piramide di 6 bicchieri di carta (3 sotto, 2 in mezzo e 1 sopra) su un tavolo o una scatola, all'altezza del foro e a 2 m di distanza.

9. Spara

   Appoggia la scatola su un tavolo puntandola verso il bersaglio. Dai un colpo secco e breve con il palmo al centro della membrana (oppure tira la maniglia di 4–5 cm e lasciala di colpo). Non lasciare la mano appoggiata. Prima del colpo successivo aspetta che gli elastici riportino la membrana al suo posto.

   Verifica: A 1 m, metti la mano davanti: devi sentire un «puf» d'aria concentrato, non una corrente diffusa.
   Trucco: Colpisci secco, come su un tamburo. Una spinta lenta fa uscire aria ma non forma l'anello.

10. Allontana il bersaglio

    Se i bicchieri cadono, allontanali di 50 cm e ripeti. Cerca la distanza massima alla quale cadono ancora: con una scatola di 30 cm di solito è tra 3 e 5 m.

11. Rendilo visibile (con un adulto) adulto

    Un adulto accende un bastoncino d'incenso e lo infila nel foro per 30 secondi, finché la scatola si riempie di fumo. Copri il foro con la mano, toglila e dai colpi leggeri: vedrai anelli di fumo di circa 12 cm che viaggiano.

    Trucco: Con luce laterale (una torcia da un lato) e sfondo scuro si vedono molto meglio. Arieggia alla fine.

Funziona? La prova

Piramide di 6 bicchieri di carta all'altezza del foro. Spara da 1, 2, 3, 4 e 5 m, 3 colpi per ogni distanza.

Cosa deve succedere: Con una scatola di 30 cm e un foro di 10 cm, l'anello abbatte la piramide con sicurezza a 2–3 m e a volte a 4–5 m. Spegne anche una candela a 1,5–2 m (adulto). Gli anelli di fumo si vedono come ciambelle di 10–15 cm che viaggiano a circa 2–4 m/s.

Se qualcosa non va

• Al bersaglio non arriva niente — Perdite d'aria dalle giunture o dal bordo della membrana. Soluzione: Sigilla di nuovo con nastro tutti gli angoli e il contorno della membrana; prova stringendo la scatola vicino all'orecchio.
• Si sente aria da vicino, ma a 2 m non arriva niente — Colpo lento (spinta) o membrana troppo tesa che muove poca aria. Soluzione: Colpo secco e breve, oppure tira la maniglia e lascia. Se la membrana è molto tesa, staccala e incollala di nuovo con 2–3 cm di gioco.
• L'anello devia o si disfa — Bordo del foro irregolare o correnti d'aria nella stanza. Soluzione: Rifinisci il bordo perché resti liscio e rotondo; chiudi porte e finestre e spegni i ventilatori.
• Manca sempre di lato — Colpo non centrato o scatola puntata male. Soluzione: Colpisci al centro della membrana e prendi la mira con un pezzo di nastro incollato sopra la scatola come «mirino».
• La membrana si è rotta — Colpi con le dita o le unghie. Soluzione: Colpisci con il palmo aperto sul rinforzo di nastro al centro; cambia la membrana se ha un buco.
• Con il fumo non si vede l'anello — Poco fumo o luce frontale. Soluzione: Riempi la scatola per 30–60 s, illumina da un lato e metti uno sfondo scuro; colpisci più piano perché esca più lento.
• Dopo il primo colpo la membrana resta affondata e lo sparo successivo esce debole — La plastica del sacco non è elastica: non torna da sola al suo posto. Soluzione: Metti i 2 elastici del passaggio 7 un po' tesi tra la maniglia e le pareti laterali; senza elastici, tira delicatamente la maniglia verso l'esterno prima di ogni colpo.

Sicurezza

• Il taglierino lo usa un adulto, sul tappetino da taglio.
• L'incenso lo accende e lo maneggia un adulto, lontano da tende e carte; spegnilo in un bicchiere con sabbia o acqua. Arieggia alla fine e non usarlo vicino a persone asmatiche.
• Se togli o copri il rilevatore di fumo, rimettilo appena hai finito.
• Non mirare mai al viso di un'altra persona da meno di 1 m: il colpo d'aria è innocuo, ma il fumo irrita gli occhi.
• Se fai la sfida della candela, la candela la sorveglia un adulto e sta su un piatto, lontano dalla scatola.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando colpisci la membrana, spingi di colpo l'aria dentro la scatola e lei schizza fuori dal foro. L'aria del centro esce veloce, ma quella che sfiora il bordo del foro rallenta e si gira, come un'onda che si infrange. Così si forma una ciambella d'aria che gira su sé stessa e viaggia molto lontano senza disfarsi, come un cerchio che rotola. Non la vedi, ma quando arriva ai bicchieri, li butta giù! Con il fumo dentro la scatola, la ciambella diventa visibile.

Per l'adulto

Colpendo la membrana si espelle bruscamente un volume d'aria (≈ 2–3 L) attraverso l'orifizio. Sul bordo del foro, lo strato d'aria a contatto con il cartone rallenta (strato limite) e si separa formando una lamina di vorticità che si arrotola su sé stessa: è un anello di vortice, una struttura toroidale in cui l'aria gira attorno a un asse circolare. Questa rotazione induce sull'anello stesso una velocità di avanzamento, e l'aria che trascina viaggia «impacchettata», mescolandosi poco con l'ambiente, per cui conserva la sua quantità di moto a distanze pari a molte volte il suo diametro, a differenza di un getto, che si disperde subito. Gli anelli si formano meglio quando la lunghezza del pistone d'aria espulso è circa 4 volte il diametro dell'orifizio («numero di formazione» ≈ 4): con D = 10 cm, ≈ 40 cm di colonna, cioè circa 3 L. Per questo un foro di circa 1/3 del lato della scatola e una membrana con gioco che sposti molto volume funzionano meglio di una membrana tesa. Un foro più piccolo dà anelli più veloci e stretti ma con meno massa; uno più grande, anelli lenti che si disfano prima. La viscosità e la turbolenza frenano a poco a poco l'anello, per cui la gittata utile è di circa 30–50 diametri.

• vortice: aria o acqua che gira attorno a un asse, come un mulinello.
• anello di vortice: mulinello a forma di ciambella che viaggia senza disfarsi.
• membrana: foglio sottile e flessibile che spinge l'aria quando lo colpisci.
• impulso: spinta breve e forte che mette in movimento qualcosa.
• massa dell'aria: l'aria pesa (1 litro ≈ 1,2 g) e per questo può spingere le cose.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia il foro e la faccia posteriore. Il bambino sigilla con il nastro, incolla la membrana, costruisce la piramide e spara. Concentrati su «l'aria spinge».
• 8–10 anni: Fanno tutto tranne il taglierino e l'incenso. Misurano la gittata con il metro a nastro e confrontano i due fori.
• 11–12 anni: Calcolano il volume della scatola e l'aria espulsa (area della membrana × affondamento ÷ 3), misurano la velocità dell'anello con un video al rallentatore e provano diversi diametri di foro.

In gruppo o in classe

Squadre di 3–4 bambini, una scatola per squadra (6–8 scatole). Prima della sessione: raccogliere scatole simili, tagliare i fori e le facce posteriori e stampare le sagome. Sessione di 60 min: 10 min di dimostrazione con il fumo (solo l'adulto, una sola scatola), 25 min di montaggio, 25 min di «tiro a segno» in cortile o in palestra con piramidi a 1, 2, 3 e 4 m e una tabella dei punti per squadra.

Sfide

• Abbatti una piramide di 10 bicchieri a 3 m con un solo sparo.
• Costruisci un cannone con un bidone della spazzatura o una scatola di 60 cm e un foro di 20 cm.
• Lancia due anelli di seguito e fai in modo che il secondo raggiunga il primo.
• Spegni una candela a 2 m (con un adulto che sorveglia la fiamma).
• Progetta un bersaglio che giri come una girandola quando riceve l'anello.

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