Fantasma che levita con l'elettricità statica

Cosa imparerà

• Che strofinando due materiali alcuni elettroni passano dall'uno all'altro: uno resta con carica negativa (−) e l'altro con carica positiva (+).
• Che le cariche uguali si respingono (il fantasma galleggia sopra il palloncino) e quelle diverse si attraggono (il fantasma si attacca alla mano o alla parete).
• Che anche un oggetto senza carica viene attratto da uno carico, perché le sue cariche si riorganizzano (induzione).
• Che l'umidità dell'aria scarica gli oggetti: l'elettricità statica funziona molto meglio con l'aria secca.
• Come usare un rivelatore (elettroscopio) per sapere se qualcosa è carico e se la sua carica è uguale o diversa da un'altra.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % (senza «adatta alla pagina») e verifica con un righello che la linea rossa dell'intestazione misuri 50 mm.
• Scegli un giorno e una stanza asciutti: lontano dal bagno e dalla cucina mentre si cucina, senza umidificatore. Con il riscaldamento acceso di solito funziona benissimo. Se hai un igrometro, cerca un'umidità sotto il 50 %.
• Prova il sacchetto prima della sessione: taglia una striscia da 3 × 15 cm, strofinala sul tavolo con la lana e sollevala: se si attacca alla tua mano o «insegue» le tue dita, va bene.
• Gonfia il palloncino a Ø 25–30 cm e annodalo (un adulto); tienine un altro di scorta.
• Se i bambini sono piccoli, taglia con il taglierino la base, lo sfondo, l'anello e il coperchio di cartone ondulato.
• Lavati e asciugati bene le mani: le mani umide scaricano il fantasma quando lo tocchi.

Materiali e attrezzi

• Sacchetto di plastica sottilissimo — 1 (basta un pezzo da 20 × 25 cm)
  polietilene da 8–15 µm, di quelli che scricchiolano come carta velina: sacchetto per la spazzatura piccolo tra i più sottili (bianco, 10 L), sacco della tintoria o sacchetto della frutta se non è compostabile
• Palloncino di lattice — 1 (meglio 2, se scoppia)
  tondo, gonfiato a Ø 25–30 cm; liscio, senza disegni metallizzati
• Panno di lana — 1
  calzino, sciarpa o maglione di lana asciutto
• Cartone ondulato — 2 fogli da 30 × 20 cm
  a onda singola, 3–4 mm (scatola da spedizioni), piatto
• Cartoncino sottile — 1 scatola di cereali aperta
  per lapidi e squadrette; il lato grigio all'esterno per dipingere
• Cartoncino giallo — 1 quadrato da 8 × 8 cm
  160–250 g/m², per la luna
• Pennarello indelebile nero — 1
  punta fine o media; scrive sulla plastica
• Graffetta di metallo grande — 1
  di filo nudo (senza plastica colorata), da 32–50 mm
• Carta stagnola (alluminio) da cucina — 1 pezzo da 15 × 15 cm
  quella normale, sottile (11–16 µm); non quella rinforzata
• Bicchiere di plastica trasparente rigido — 1
  alto 9–12 cm e con bocca di Ø 7–9 cm, pulito e ben asciutto
• Colla vinilica o colla stick — 1
  colla vinilica per cartone su cartone; stick per incollare le sagome
• Nastro adesivo — 1 rotolo
  trasparente, per rinforzare le giunture e fissare l'anello del palloncino
• Mollette o fermagli da cancelleria — 4
  per tenere fermo il sacchetto tra due fogli mentre ritagli
• Tempere o pennarelli — a piacere
  blu scuro o nero per il cielo, grigio per le lapidi

Attrezzi

• Forbici — ritagliare le sagome, il fantasma, le lapidi e l'alluminio
• Taglierino, righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare il cartone ondulato della base, dello sfondo e dei dischi adulto
• Matita e righello — segnare le linee di posizionamento
• Penna scarica — segnare le pieghe delle lapidi e delle squadrette
• Punteruolo o spiedino di legno — forare il centro del coperchio dell'elettroscopio adulto
• Pinze piccole (facoltative) — raddrizzare la graffetta e piegare il gancio

Pezzi e sagome

• A · Base del cimitero ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Sfondo (cielo) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Luna ×1 — cartoncino giallo 200 g/m²
• D · Lapide grande ×1 — cartoncino sottile (scatola di cereali)
• E · Lapide piccola ×2 — cartoncino sottile (scatola di cereali)
• F · Squadretta dello sfondo ×2 — cartoncino sottile (scatola di cereali)
• G · Fantasma ×1 — sacchetto di plastica sottilissimo (8–15 µm)
• H · Anello per il palloncino ×1 — cartone ondulato 3 mm
• I · Coperchio dell'elettroscopio ×1 — cartone ondulato 3 mm
• J · Foglioline dell'elettroscopio ×1 — carta stagnola (alluminio) da cucina

Passo passo

1. Prova il sacchetto e l'ambiente

   Taglia una striscia di sacchetto da 3 × 15 cm. Mettila piatta sul tavolo, strofinala 10 volte con il panno di lana e sollevala da un'estremità. Avvicina l'altra mano a 5 cm: la striscia deve muoversi verso le tue dita.

   Verifica: Se la striscia non si muove, il sacchetto è troppo spesso o l'aria è umida: prova un altro sacchetto o cambia stanza prima di continuare.
   Trucco: I sacchetti che scricchiolano come carta velina (polietilene ad alta densità) sono i migliori.

2. Ricalca il fantasma

   Taglia un pezzo di sacchetto da 20 × 25 cm. Fai un sandwich: sagoma G sopra, sacchetto in mezzo e un foglio di carta sotto. Ferma i quattro angoli con le mollette perché il sacchetto non si muova.

   Trucco: Se il sacchetto è a due strati (aperto in alto), usane solo uno: taglia lungo i lati e separali.

3. Ritaglia il fantasma

   Ritaglia i tre strati insieme lungo la linea della sagoma G, piano, con la punta delle forbici. Taglia ogni tentacolo fino in cima (7 strisce da 10 mm, lunghe 60–72 mm). Togli le mollette e separa il fantasma dalle carte.

   Verifica: I 7 tentacoli devono restare staccati tra loro fino alla base del corpo: se sono uniti in alto, non si apriranno quando lo carichi.

4. Disegna il viso

   Metti il fantasma sulla sagoma G e ricalca con il pennarello indelebile i due occhi (8 × 12 mm) e la bocca. Colora poco e senza premere: l'inchiostro pesa pochissimo, ma una plastica stropicciata galleggia peggio. Lascia asciugare 1 minuto.

   Trucco: Fai uno o due fantasmi in più finché hai il sacchetto a portata di mano: così ce n'è uno per ogni bambino.

5. Taglia la base e lo sfondo adulto

   Incolla con la colla stick le sagome A (250 × 130 mm) e B (250 × 160 mm) sul cartone ondulato e tagliale con taglierino e righello di metallo. Taglia anche l'anello H (Ø 80 mm con foro di Ø 50 mm) e il coperchio I (Ø 100 mm).

   Verifica: Lo sfondo B deve essere dritto: appoggialo di taglio sul tavolo e non deve traballare.

6. Dipingi il cielo e incolla la luna

   Dipingi lo sfondo B di blu scuro o nero. Ritaglia la luna C dal cartoncino giallo (Ø 70 mm), disegna i crateri e incollala con la colla stick dentro il cerchio segnato nell'angolo in alto a destra di B.

   Trucco: Dipingi la base A di verde scuro o marrone: sembrerà l'erba del cimitero.

7. Alza lo sfondo

   Ritaglia le due squadrette F dal cartoncino sottile e segna le loro due pieghe. Metti lo sfondo B in piedi sulla linea della base A che si trova a 40 mm dal bordo posteriore, attacca una striscia di nastro adesivo dietro lungo la giuntura e incolla le due squadrette F dietro, sulle loro linee (a 30 mm da ogni lato).

   Verifica: Spingi piano lo sfondo dal davanti: non deve piegarsi all'indietro.

8. Monta le lapidi

   Ritaglia la lapide grande D e le due piccole E dal cartoncino sottile. Piega all'indietro la linguetta di ognuna lungo la linea di piegatura (15 e 12 mm). Metti la colla sulle linguette e incollale sulle linee della base A, con le lapidi in piedi.

   Verifica: Le tre lapidi devono stare in piedi da sole, leggermente staccate dallo sfondo.

9. Prepara il palloncino e il suo anello adulto

   Attacca l'anello H alla base A sul cerchio segnato a destra, con due pezzi di nastro adesivo. Gonfia il palloncino fino a Ø 25–30 cm (un adulto), annodalo e lascialo riposare sull'anello perché non rotoli.

   Trucco: Non gonfiarlo al massimo: un palloncino molto teso scoppia più facilmente quando lo strofini.

10. Carica il palloncino

    Strofina la metà superiore del palloncino con il panno di lana (o contro i tuoi capelli asciutti) 20 volte, sempre nella stessa direzione e premendo un po'. Da ora in poi tieni il palloncino solo per il nodo.

    Verifica: Avvicinalo ai tuoi capelli o ad alcuni pezzetti di carta a 3 cm: i capelli si sollevano e i pezzetti saltano sul palloncino.

11. Carica il fantasma

    Metti il fantasma piatto sul tavolo (di legno o di plastica, pulito e asciutto). Tienilo fermo per la testa con un dito e strofinalo 15 volte con il panno di lana, dalla testa fino alla punta dei tentacoli.

    Trucco: Strofina tutto il fantasma, tentacoli compresi: ogni striscia carica spinge via le altre e così si apre come una medusa.

12. Stacca e lascia andare il fantasma

    Solleva il fantasma per la punta della testa con due dita: i tentacoli si separano da soli. Metti il palloncino carico circa 20 cm sotto e lascia andare il fantasma (o dagli un colpetto verso l'alto) perché cada verso il palloncino.

    Verifica: I tentacoli devono aprirsi a ventaglio quando lo sollevi: è il segno che è ben carico.
    Trucco: Se si attacca alle dita quando lo lasci, scuotilo con un colpetto: la tua mano lo attrae perché non ha carica.

13. Fallo levitare sopra il cimitero

    Tieni il palloncino sotto il fantasma, a 10–20 cm, e seguilo dolcemente quando devia da un lato. Porta a spasso il fantasma sopra le lapidi e la luna senza che tocchi niente.

    Verifica: Il fantasma deve restare a galleggiare almeno 5 secondi senza toccare il palloncino.
    Trucco: Tieni il fantasma lontano dalla parete, dalla lampada e dal tuo corpo: lo attraggono tutti. Se cade, ricarica palloncino e fantasma.

14. Costruisci l'elettroscopio adulto

    Raddrizza la graffetta e piega all'estremità inferiore un gancio da 10 mm. Fora il centro del coperchio I e infila la graffetta in modo che sporga 30 mm sopra e il gancio resti 40 mm sotto. Fai una pallina di alluminio di Ø 20 mm sull'estremità superiore. Piega a metà la striscia J (12 × 70 mm), appendila al gancio e metti il coperchio sul bicchiere.

    Verifica: Le due foglioline di alluminio devono pendere unite, senza toccare le pareti del bicchiere.

15. Rivela le cariche

    Avvicina il palloncino carico a 5 cm dalla pallina, senza toccarla: le foglioline si separano. Allontanalo: si riuniscono. Tocca la pallina con il palloncino, ruotandolo, e allontanalo: le foglioline restano aperte. Ora avvicina il fantasma carico: se le foglioline si aprono di più, ha la stessa carica del palloncino.

    Verifica: Le foglioline si aprono di almeno 1 cm in basso quando avvicini il palloncino.
    Trucco: Per scaricare l'elettroscopio, tocca la pallina con il dito: le foglioline ricadono di colpo.

Funziona? La prova

In una stanza asciutta, carica palloncino e fantasma (passaggi 10 e 11), lascia andare il fantasma sopra il palloncino e conta quanti secondi resta a galleggiare senza toccare niente. Ripeti 3 volte e misura con un righello a che altezza sopra il palloncino si ferma.

Cosa deve succedere: Stima con aria secca (umidità sotto il 50 %): il fantasma galleggia 10–30 cm sopra il palloncino per 5–20 s a lancio, con i tentacoli aperti a ventaglio. Dopo 3–5 lanci perde carica e bisogna strofinare di nuovo. Con aria umida (oltre il 65 %) potrebbe resistere solo 1–2 s o non riuscire a galleggiare.

Se qualcosa non va

• Il fantasma cade sul palloncino e resta attaccato — Il fantasma non aveva carica (o ne aveva poca): il palloncino lo attrae per induzione, come un pezzo di carta. Soluzione: Aspetta 1–2 secondi: toccando il palloncino di solito ne prende la carica e salta via. Se no, strofinalo di nuovo 15 volte sul tavolo con la lana.
• I tentacoli non si aprono quando lo sollevi — Manca carica: aria umida, tavolo bagnato, mani umide o sacchetto che non si carica bene (alcuni compostabili). Soluzione: Passa in una stanza asciutta (con il riscaldamento), asciugati le mani, strofina su un tavolo di legno o plastica asciutto e prova con un altro sacchetto più sottile.
• Scappa da un lato e cade a terra — È normale: la repulsione lo sostiene verso l'alto ma non di lato; appena devia, il palloncino lo spinge ancora più fuori. Soluzione: Segui il fantasma con il palloncino, muovendolo piano per averlo sempre proprio sotto. Esercitati con lanci brevi.
• Si attacca alla mano, ai vestiti o alla parete — Le cose senza carica (il tuo corpo, la parete) lo attraggono per induzione. Soluzione: Staccalo con un colpetto, allontanati da pareti e mobili di almeno 50 cm e tieni il palloncino solo per il nodo, con il braccio teso.
• Il palloncino perde subito la carica — Capelli umidi o con balsamo, panno bagnato o aria umida; anche toccare il palloncino con la mano. Soluzione: Usa un panno di lana asciutto, strofina 20 volte di fila e tieni il palloncino solo per il nodo.
• Il fantasma è pesante e cade anche se è carico — Sacchetto troppo spesso (oltre 20 µm) o fantasma stropicciato. Soluzione: Usa un sacchetto più sottile o stampa la sagoma G al 70 % per fare un fantasma mini, che pesa la metà.
• Le foglioline dell'elettroscopio non si muovono — Graffetta con plastica, foglioline attaccate alla parete del bicchiere, alluminio spesso o bicchiere umido. Soluzione: Usa una graffetta di filo nudo, centra le foglioline, passa a carta stagnola sottile e asciuga prima il bicchiere con un asciugacapelli.

Sicurezza

• Palloncini: i bambini sotto gli 8 anni possono soffocare con un palloncino sgonfio o con i pezzi di uno scoppiato. Sempre con un adulto; raccogli e butta subito i pezzi. Lo gonfia un adulto (o con una pompetta), mai un bambino piccolo con la bocca.
• Lattice: se qualcuno è allergico al lattice, usa un palloncino senza lattice (quelli di foil non vanno bene: sono metallici) o un tubo di PVC strofinato.
• Sacchetti di plastica: mai sulla testa né sul viso. Conserva il sacchetto avanzato fuori dalla portata dei bambini piccoli.
• Il taglierino e il punteruolo li usa un adulto, con righello di metallo e tappetino da taglio.
• Le scintille o lo schiocco quando tocchi il palloncino carico sono innocui, ma non avvicinare il palloncino carico a cellulari o computer aperti.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Tutte le cose sono fatte di particelle minuscole, e alcune portano una carica elettrica: gli elettroni, che sono negativi. Quando strofini il palloncino con la lana, la lana gli «regala» elettroni e il palloncino resta con elettroni in più. Strofinando il fantasma succede lo stesso. Ora tutti e due hanno lo stesso tipo di carica, e le cariche uguali si spingono via, come due calamite messe al contrario. Per questo il fantasma non può scendere sul palloncino: galleggia nell'aria. Le tue mani, invece, non hanno carica e attraggono il fantasma, per questo si attacca alle tue dita. L'acqua dell'aria umida si porta via gli elettroni in più: per questo funziona meglio quando l'aria è secca.

Per l'adulto

Strofinando due materiali diversi si trasferiscono elettroni da quello che li trattiene peggio a quello che li trattiene meglio (effetto triboelettrico). Nella serie triboelettrica, la lana e i capelli stanno all'estremo positivo; il lattice del palloncino e, ancora di più, il polietilene del sacchetto, a quello negativo. Per questo, strofinati con la lana, palloncino e fantasma restano entrambi con carica negativa e si respingono (legge di Coulomb: F = k·q1·q2/r², con k ≈ 9·10⁹ N·m²/C²). I conti del volo (stima dell'ordine di grandezza): il fantasma ha ≈ 120 cm² di film da ≈ 10 µm e densità 0,95 g/cm³, cioè ≈ 0,1 g; il suo peso è ≈ 1 mN. Un palloncino di Ø 25 cm ben strofinato può accumulare ≈ 0,1–0,3 µC; trattato come carica puntiforme nel suo centro, a 15 cm sopra la sua superficie (r ≈ 0,28 m) crea un campo E = kQ/r² ≈ 1–3·10⁴ V/m, quindi bastano q ≈ 30–100 nC sul fantasma, una densità di carica di 3–8 µC/m², ben al di sotto del limite in cui l'aria si ionizza (≈ 26 µC/m²). Poiché il campo diminuisce con la distanza, l'equilibrio è stabile in verticale: se il fantasma sale, la spinta cala e lui scende un po'; se scende, la spinta cresce. In orizzontale, invece, è instabile (non esiste un equilibrio stabile con sole forze elettrostatiche, teorema di Earnshaw), per questo bisogna inseguirlo con il palloncino. I tentacoli si separano perché ogni striscia, con carica dello stesso segno, respinge le vicine: il ventaglio aumenta l'area e frena la caduta come un paracadute. Progetto: 7 strisce da 10 mm perché più strette si aggrovigliano e più larghe si aprono appena; sagoma da 9 × 17 cm perché più grande pesa più di quanto il palloncino sostenga con una strofinata normale. Un oggetto neutro (la mano, la parete, un pezzo di carta) viene attratto per induzione: la carica vicina sposta le sue cariche e lascia più vicina quella di segno opposto, e l'attrazione vince sulla repulsione perché dipende da 1/r². L'umidità deposita sulle superfici una pellicola d'acqua che conduce e scarica in pochi secondi: con umidità relativa < 50 % l'effetto è forte; > 65 % si indebolisce molto. L'elettroscopio funziona allo stesso modo: avvicinando il palloncino negativo, gli elettroni liberi della graffetta e dell'alluminio si allontanano verso le foglioline, che diventano entrambe negative e si separano; allontanandolo tornano indietro. Se si tocca la pallina con il palloncino, passa carica e le foglioline restano aperte; un oggetto con la stessa carica le apre di più e uno con carica opposta (il panno di lana appena usato, positivo) le chiude.

• elettrone: particella minuscola con carica negativa che fa parte di tutto; strofinando, alcuni passano da un materiale all'altro.
• elettricità statica: carica elettrica che resta ferma su un oggetto invece di scorrere in un filo.
• repulsione: spinta tra due cariche dello stesso segno (− con − o + con +).
• attrazione: tiro tra cariche di segno diverso; attrae anche oggetti senza carica (induzione).
• induzione: riorganizzazione delle cariche di un oggetto quando gli si avvicina un altro oggetto carico, senza toccarlo.
• elettroscopio: strumento che rivela se qualcosa ha carica: le sue foglioline di metallo si separano.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia il cartone, gonfia il palloncino e prepara l'elettroscopio. Il bambino ritaglia il fantasma (il sandwich di carta aiuta molto), disegna il viso, dipinge il cimitero e strofina. Concentrati su «uguali si spingono, diversi si attraggono». Con i bambini sotto gli 8 anni, il palloncino lo sorveglia sempre un adulto.
• 8–10 anni: Fanno tutti i passaggi; l'adulto taglia solo con il taglierino e fora il coperchio. Lascia che scoprano da soli che bisogna seguire il fantasma con il palloncino e che provino quale materiale carica meglio.
• 11–12 anni: Fai usare l'elettroscopio per ordinare 5 materiali nella loro serie triboelettrica e fai registrare in un grafico il tempo di volo rispetto all'umidità (se c'è un igrometro). Sfida: calcolare il peso del fantasma dalla sua area e dallo spessore del sacchetto.

In gruppo o in classe

A coppie: uno tiene il palloncino e l'altro lancia il fantasma; poi si scambiano. Per coppia: 1 palloncino (+ 5 di scorta per la classe), 2 fantasmi e 1 pezzo di lana. Lo scenario può essere uno per tavolo da 4 e l'elettroscopio uno per tutta la classe, sulla cattedra. Prima: pretagliare basi e sfondi, stampare 2 sagome G per coppia, verificare il sacchetto e l'umidità dell'aula (finestre chiuse, meglio di mattina con il riscaldamento). 60 min: 10 min di dimostrazione con il palloncino e pezzetti di carta, 30 min di montaggio, 15 min di voli al centro dell'aula (lontano dalle pareti) e 5 min di elettroscopio. Raccogli subito i palloncini scoppiati.

Sfide

• Gara di fantasmi: porta il fantasma galleggiando dalla lapide grande fino alla luna senza che tocchi niente. Chi ci mette meno tempo?
• Fai un pipistrello di sacchetto (ali da 12 cm con 3 punte) e verifica se galleggia meglio o peggio del fantasma.
• Crea l'atmosfera notturna: spegni la luce e illumina il fantasma che galleggia con una torcia da un lato per proiettarne l'ombra sullo sfondo del cimitero.
• Riesci a far galleggiare due fantasmi insieme sopra lo stesso palloncino? Si avvicinano o si allontanano tra loro?
• Costruisci un «aspirafantasmi»: un tubo di cartone rivestito di alluminio che, senza strofinarlo, attiri il fantasma quando lo avvicini.

Altri progetti gratis

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