Elevatore d'acqua a spirale

Cosa imparerà

• Che un'elica che gira trasforma una rotazione in un avanzamento: ogni giro di manovella fa salire una «sacca» d'acqua di una spira.
• Che l'acqua non sale mai da sola: cade sempre nel punto più basso di ogni spira, ma quel punto si sposta verso l'alto quando giri.
• Che l'angolo di inclinazione decide se la macchina funziona: se è troppo ripida, le sacche si svuotano all'indietro.
• A misurare una portata (ml al minuto) e a metterla in relazione con la velocità di rotazione.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e verifica che la sagoma dell'elica (A) sia larga 157 mm: è la circonferenza di un tubo da 50 mm.
• Misura il tuo tubo: se non è da 50 mm, ritaglia la sagoma A a una larghezza di 3,14 × diametro (Ø 40 → 126 mm; Ø 60 → 188 mm) e ridisegna le diagonali.
• Taglia il tubo a 400 mm e, se è di cartone, rivestilo tutto con nastro da imballaggio a spirale, sovrapponendo 1 cm.
• Lascia il tubicino arrotolato al sole o in acqua calda del rubinetto per 5 minuti: si ammorbidisce e si avvolge meglio.
• Lavora in un posto dove il pavimento si possa bagnare (terrazzo, cucina) e tieni a portata di mano uno strofinaccio.

Materiali e attrezzi

• Tubo rigido — 1 da 400 mm
  Ø esterno 50 mm (tubo porta poster o porta disegni, oppure tubo di scarico in PVC da 50 mm)
• Tubicino trasparente — 2 m da comprare
  PVC cristallo 6 × 8 mm (interno 6, esterno 8); si vende a metri in ferramenta
• Nastro da imballaggio trasparente — ≈ 1,5 m
  largo (48 mm), per impermeabilizzare il tubo di cartone
• Nastro isolante o nastro americano — ≈ 1 m in 20 pezzi da 5 cm
  da bagnato tiene meglio del nastro di carta
• Cartone ondulato — 1 pezzo di 25 × 20 cm
  3 mm, per tappi, manovella, culla e squadra a 30°
• Matita o bastoncino — 1
  Ø 7–8 mm, 8–10 cm (impugnatura della manovella)
• Bacinella o catino — 1
  ≥ 30 cm di diametro, con 4–5 cm d'acqua (≈ 2–3 l)
• Bicchiere o caraffa graduata — 1
  trasparente, da 250 ml e alto al massimo 10 cm
• Colorante alimentare — 2–3 gocce
  blu o verde, per vedere le sacche d'acqua
• Libri o una scatola — pila di ≈ 12–13 cm
  per sollevare la culla a V

Attrezzi

• Forbici — ritagliare le sagome e tagliare il tubicino
• Taglierino e righello di metallo — tagliare i pezzi di cartone e la V della culla adulto
• Punteruolo o matita appuntita — foro da 8 mm nella manovella adulto
• Colla stick — incollare la sagoma dell'elica al tubo
• Colla vinilica o pistola per colla a caldo — incollare tappo, manovella e culla adulto
• Righello e pennarello indelebile — segnare il passo e le misure sul tubo

Pezzi e sagome

• A · Sagoma dell'elica (passo 26 mm) ×1 — carta 80 g/m²
• B · Tappi del tubo ×2 — cartone ondulato 3 mm
• C · Braccio della manovella ×2 — cartone ondulato 3 mm
• D · Fianchi della culla a V ×2 — cartone ondulato 3 mm
• E · Base della culla ×1 — cartone ondulato 3 mm
• F · Squadra a 30° ×1 — cartone ondulato 3 mm
• G · Tubicino ×1 — tubicino PVC 6 × 8 mm

Passo passo

1. Prepara il tubo adulto

   Taglia il tubo a 400 mm. Se è di cartone, rivestilo tutto con nastro da imballaggio a spirale, sovrapponendo 1 cm a ogni giro. Con il pennarello, segna una riga a 20 mm dall'imboccatura inferiore e un'altra a 290 mm.

   Verifica: Il tubo non deve assorbire neanche una goccia d'acqua messa sopra.

2. Incolla la sagoma dell'elica

   Ritaglia la sagoma A. Avvolgila attorno al tubo con il bordo inferiore sulla riga dei 20 mm e i due bordi laterali accostati. Fissala con 3 pezzi di nastro trasparente sopra, che la proteggono anche dall'acqua.

   Verifica: Segui la linea con il dito: deve fare 10 giri di seguito senza salti, da 30 mm (1 cm sopra la riga dei 20 mm) fino alla riga dei 290 mm.

3. Prepara l'imboccatura d'ingresso

   Taglia la punta del tubicino a becco di flauto (inclinata di circa 45°). Mettila all'inizio dell'elica (in basso, a 30 mm dall'imboccatura) e portala dritta, lungo il tubo, fino all'imboccatura inferiore, con 10 mm di tubicino che sporgono sotto. Fissa quel tratto dritto con due giri di nastro isolante.

   Trucco: Il becco di flauto funziona come un cucchiaio: prende acqua quando passa in basso e aria quando passa in alto.

4. Avvolgi il tubicino sulla linea

   Avvolgi il tubicino seguendo la linea della sagoma, sempre nello stesso verso e senza tirarlo. A ogni mezzo giro, metti un pezzo di nastro isolante da 5 cm di traverso sul tubicino perché non si sposti.

   Verifica: Misura con il righello tra due spire consecutive: 26 mm (tra 24 e 28 mm va bene). Le spire devono essere 10.
   Trucco: Un adulto tiene fermo il tubo e il bambino avvolge: con quattro mani è più facile.

5. Taglia l'uscita a filo adulto

   Arrivato alla fine dell'elica (riga dei 290 mm), taglia il tubicino in modo che sporga solo 15 mm seguendo la curva. Fissa quest'ultimo tratto con due giri di nastro. Conserva il pezzo avanzato per altri esperimenti.

   Verifica: Soffia dall'imboccatura inferiore: l'aria deve uscire in alto. Se non esce, il tubicino è strozzato in qualche spira: allenta quella spira.

6. Chiudi le due imboccature adulto

   Taglia i due tappi B (Ø 50 mm). Incollane uno su ogni imboccatura del tubo con colla o colla a caldo e sigillali con due strisce incrociate di nastro da imballaggio che scendano 2 cm lungo il fianco.

7. Monta la manovella adulto

   Incolla i due strati del braccio C. Incolla il braccio sul tappo superiore con il punto da 1 mm esattamente al centro. Infila la matita nel foro da 8 mm finché sporge di 6 cm e fissala con colla a caldo o con nastro avvolto.

   Verifica: Girando la matita, il tubo gira con lei senza che il braccio si pieghi.

8. Costruisci la culla a V adulto

   Taglia i due fianchi D e la base E. Piega la linguetta da 15 mm di ogni fianco e incollali in piedi sulle linee di E, con le due V allineate. Metti un libro sopra la base mentre asciuga.

   Verifica: Appoggia il tubo sulle V: deve girare libero e il tubicino non deve sfregare il fondo della V.

9. Prepara la scena

   Metti la bacinella sul tavolo con 4–5 cm d'acqua e 3 gocce di colorante. Sistema la culla su una pila di libri di circa 12–13 cm, fuori dalla bacinella e a circa 7 cm dal suo bordo. Appoggia l'imboccatura inferiore del tubo sul fondo, a circa 11 cm dalla parete della bacinella opposta alla culla (non attaccata: con una bacinella da 30 cm il tubo non arriverebbe alla culla), e appoggia il tubo sulla culla nella zona tra 330 e 370 mm.

10. Regola a 30°

    Metti la squadra F sul tavolo accanto al tubo. Togli o aggiungi libri finché l'ipotenusa è parallela al tubo. L'imboccatura d'ingresso deve restare mezza sommersa: se resta fuori dall'acqua, aggiungi acqua; se le prime 3 spire finiscono sott'acqua, toglila.

    Verifica: L'uscita (riga dei 290 mm) resta circa 15–17 cm sopra il fondo della bacinella, fuori dal suo bordo.

11. Metti il bicchiere di raccolta

    Metti il bicchiere (alto al massimo 10 cm) sul tavolo, fuori dalla bacinella, accostato a un fianco della pila di libri (tra la bacinella e la pila non ci sta) e con la bocca il più vicino possibile alla verticale della fine dell'elica. Gira piano la manovella con la mano: l'uscita deve passare sopra il bicchiere nella parte bassa della sua rotazione. Se non ci passa, usa un contenitore più largo e basso, come una vaschetta, accanto alla pila.

12. Gira e osserva

    Gira la manovella al ritmo di un giro al secondo, sempre nel verso in cui l'imboccatura a becco di flauto «entra» di fronte nell'acqua. Dopo 10 giri (quanti sono le spire dell'elica) comincerà a cadere un filo d'acqua nel bicchiere a ogni giro.

    Verifica: Si vedono sacche d'acqua blu separate da bolle d'aria, una per spira, che avanzano verso l'alto.
    Trucco: Se dopo 15 giri non sale niente, gira nell'altro verso: nel verso opposto la vite fa scendere l'acqua.

Funziona? La prova

Con il tubo a 30°, l'imboccatura mezza sommersa e il bicchiere vuoto sotto l'uscita, fai 60 giri di manovella in 1 minuto (uno al secondo) e misura l'acqua nel bicchiere.

Cosa deve succedere: Dopo i primi 10 giri di riempimento, cade acqua a ogni giro: circa 60–120 ml al minuto con un tubicino da 6 mm. L'acqua sale circa 12 cm sopra la superficie della bacinella.

Se qualcosa non va

• L'acqua sale un po' e poi torna giù — Tubo troppo ripido (più di 45°): le sacche non hanno un punto basso in ogni spira e si svuotano all'indietro. Soluzione: Abbassa la culla fino a 30° con la squadra F.
• Non entra acqua dal basso — L'imboccatura d'ingresso non arriva all'acqua oppure resta sempre sommersa e piena d'acqua senza aria. Soluzione: Regola il livello: l'imboccatura a becco di flauto deve entrare e uscire dall'acqua a ogni giro (acqua a metà dell'imboccatura del tubo).
• Gira ma l'acqua non avanza — Stai girando nel verso che fa scendere l'acqua. Soluzione: Gira al contrario. Il verso giusto è quello in cui l'imboccatura d'ingresso «morde» l'acqua di fronte.
• L'acqua resta ferma a tappi dentro il tubicino — Tubicino troppo sottile (meno di 5 mm di diametro interno): la tensione superficiale blocca il passaggio. Soluzione: Usa un tubicino da 6 × 8 mm o più grande.
• Il tubicino si schiaccia nelle curve — Tubicino grosso su un tubo stretto: raggio di curvatura troppo piccolo. Soluzione: Ammorbidiscilo con acqua calda, usa un tubo da 60 mm o un tubicino da 6 × 8 mm.
• L'elica scivola quando giri — Nastro di carta bagnato o pochi punti di fissaggio. Soluzione: Nastro isolante o fascette ogni mezzo giro (20 fissaggi in tutto).
• L'acqua cade fuori dal bicchiere — L'uscita sporge troppo e descrive un cerchio grande. Soluzione: Accorciala a 15 mm e avvicina il bicchiere, accostato al fianco della pila, al punto più basso della sua rotazione; se ancora non ci arriva, usa una vaschetta larga e bassa.

Sicurezza

• Acqua ed elettricità: monta l'esperimento lontano da prese, prolunghe e apparecchi.
• Asciuga subito il pavimento: un pavimento bagnato fa scivolare.
• Il taglierino e la colla a caldo li usa un adulto, con righello di metallo e tappetino da taglio.
• Non bere l'acqua con il colorante e non aspirare dal tubicino per innescarlo.
• Se usi la sabbia, deve essere asciutta e pulita; non soffiare la sabbia verso gli occhi.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

L'acqua è pigra: va sempre nel posto più basso che trova. In ogni spira del tubicino c'è una «valle» dove resta una sacchetta d'acqua. Quando giri il tubo, quella valle si sposta verso l'alto, come quando sali su una scala mobile senza camminare, e la sacchetta viaggia con lei. Alla fine arriva in cima e cade nel bicchiere. La forza la metti tu con la manovella; l'acqua si lascia solo trasportare.

Per l'adulto

Il tubicino descrive un'elica di passo p = 26 mm su un diametro medio di 58 mm (spira di ≈ 182 mm di circonferenza, angolo d'elica ≈ 8°). Con l'asse inclinato di un angolo θ, ogni spira ha un minimo locale di altezza purché θ < 90° − 8°, ma la sacca utile è grande solo se θ è piccolo: con θ ≈ 30° ogni spira trattiene un tratto d'acqua nella sua parte bassa, separato dal successivo dall'aria. Girando il tubo, la posizione di quei minimi avanza di un passo per giro lungo l'asse e l'acqua, sempre in quiete nel suo minimo, viene trasportata senza che niente la «spinga» verso l'alto: il lavoro lo fa la coppia sulla manovella, che solleva il baricentro dell'acqua intrappolata. Altezza di sollevamento ≈ lunghezza dell'elica × sen θ = 260 mm (da 30 a 290 mm) × 0,5 ≈ 13 cm; poiché l'imboccatura inferiore è mezza sommersa, l'acqua esce circa 12 cm sopra la superficie della bacinella. La portata è circa (volume di ogni sacca) × (giri al secondo): con 6 mm di diametro interno stanno ≈ 5 ml per spira, di cui la sacca occupa tra 1/4 e 1/2 (1–2,5 ml). Se θ aumenta, la sacca si rimpicciolisce e verso ~60–70° in pratica scompare; se θ diminuisce, ci sta più acqua ma la si solleva di meno. È la stessa macchina che si usa oggi nei depuratori e nelle pompe per cereali, e che la tradizione attribuisce ad Archimede (III sec. a.C.), anche se forse è più antica.

• elica: linea che gira attorno a un cilindro mentre avanza, come la filettatura di una vite.
• passo: di quanto avanza l'elica in un giro completo (qui 26 mm).
• inclinazione: angolo che il tubo forma con il tavolo.
• portata: quantità d'acqua che passa in un certo tempo, per esempio millilitri al minuto.
• manovella: braccio con impugnatura che serve a far girare un asse con la mano.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto prepara il tubo con l'elica già incollata e la culla. Il bambino mette il colorante, gira la manovella, conta i giri e misura con il bicchiere. Concentrati su «l'acqua si nasconde in basso in ogni spira e noi la portiamo a spasso».
• 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi; l'adulto taglia e incolla con la colla a caldo. Lascia che scoprano da soli il verso di rotazione giusto e l'angolo oltre il quale smette di funzionare.
• 11–12 anni: Calcolano il passo e il numero di spire a partire dalla lunghezza del tubicino (circonferenza π × D e teorema di Pitagora) e fanno un grafico portata–angolo. Sfida: far salire l'acqua di 25 cm con due viti in serie.

In gruppo o in classe

Squadre da 3–4 (ogni squadra monta una vite con un tubo e 2 m di tubicino, ≈ 2 € a squadra). Prima della sessione: tagliare e rivestire i tubi, stampare le sagome e tagliare il tubicino. Sessione di 75 min: 10 min di dimostrazione del principio con un tubicino in mano, 40 min di montaggio, 25 min di misure in cortile con 2–3 bacinelle condivise (ogni squadra misura un angolo diverso e i dati si raccolgono in una tabella alla lavagna).

Sfide

• Porta l'acqua in una seconda bacinella e da lì in una terza con due viti in cascata.
• Muovi la vite con una ruota a pale o un mulinello a vento invece che a mano.
• Fai una vite con 3 tubicini in parallelo (3 eliche intercalate) e confronta la portata.
• Progetta l'inclinazione ideale per far salire 1 litro nel minor tempo possibile e dimostralo con i dati.

Altri progetti gratis

• Girandola a quattro pale
• Ponte di carta a fisarmonica
• Torre di spaghetti e marshmallow
• Catapulta a leva
• Ponte levatoio del castello
• Gru a carrucole con argano
• Montacarichi idraulico
• Pipistrello che sbatte le ali a manovella
• Tavolino che sembra fluttuare
• Braccio escavatore con siringhe
• Gru con ruota dentata e pignone
• Reazione a catena da tavolo

Vedi tutti i progetti