Fazzoletto asciutto sott'acqua

Cosa imparerà

• Che l'aria è materia: occupa spazio, anche se non si vede, e l'acqua non può entrare dove c'è già aria.
• Che l'aria si può comprimere un po': più in fondo abbassi il bicchiere, un po' più d'acqua entra.
• Che se l'aria ha una via d'uscita (bicchiere inclinato), scappa a bolle verso l'alto e l'acqua prende il suo posto.
• Come funzionano le campane subacquee e perché si possono «travasare» bolle da un bicchiere all'altro sott'acqua.

Prepara prima

• Riempi il recipiente d'acqua fino ad almeno 13 cm di profondità (misurala con il righello) e mettilo su un asciugamano, su un tavolo basso o per terra.
• Asciuga bene l'interno del bicchiere: qualsiasi goccia bagnerà la carta.
• Stampa e ritaglia la scala A se vuoi misurare quanto sale l'acqua.
• Tieni a portata di mano uno strofinaccio asciutto e fogli di carta di ricambio.

Materiali e attrezzi

• Bicchiere trasparente — 1 (2 per gli esperimenti)
  di vetro o plastica rigida, ≈ 250 ml, alto ≈ 10 cm, imboccatura Ø 7–8 cm, senza disegni
• Carta da cucina — 1 foglio per tentativo
  foglio di ≈ 22 × 23 cm, bianco (sul bianco si vede meglio se si bagna)
• Recipiente grande — 1
  trasparente se possibile (insalatiera di vetro, secchio, pentola alta o acquario), alto almeno 15 cm e largo 20 cm
• Acqua del rubinetto — quanto basta per 13 cm di profondità (≈ 4–6 L)
  fredda o tiepida; 3 gocce di colorante alimentare blu aiutano a vedere il livello dentro il bicchiere
• Gomma adesiva (tipo Patafix) — 1 pallina di 1 cm
  nel caso la pallina di carta cada
• Nastro adesivo trasparente — 2 pezzi da 5 cm
  per attaccare la scala A al bicchiere

Attrezzi

• Righello — misurare l'altezza del bicchiere e la profondità dell'acqua
• Strofinaccio da cucina — asciugare il bordo del bicchiere e le mani
• Forbici — ritagliare la scala A

Pezzi e sagome

• A · Scala millimetrata per il bicchiere ×1 — carta

Passo passo

1. Verifica la profondità

   Metti il righello in piedi nel recipiente e verifica che l'acqua sia profonda almeno 13 cm (3 cm più dell'altezza del tuo bicchiere). Se non basta, aggiungi acqua o usa un recipiente più alto.

   Verifica: Immergi il bicchiere in piedi (imboccatura in su, così si riempie) finché tocca il fondo: l'acqua deve restare almeno 3 cm sopra il suo bordo. Tiralo fuori e asciugalo bene prima di continuare.

2. Asciuga il bicchiere

   Asciuga l'interno del bicchiere con lo strofinaccio finché non resta nemmeno una goccia, soprattutto sul fondo, dove andrà la carta.

3. Fai la pallina di carta

   Accartoccia un foglio intero di carta da cucina in una pallina un po' più grande del fondo del bicchiere (circa 6 cm). Spingila con le dita fino al fondo, in modo che resti incastrata a pressione.

   Trucco: La pallina non deve scendere sotto la metà del bicchiere: l'acqua entra un pochino dal bordo.

4. Verifica che non cada

   Capovolgi il bicchiere e scuotilo delicatamente una volta. Se la carta cade, falla più grande oppure attacca una pallina di gomma adesiva sul fondo del bicchiere e premici contro la carta.

   Verifica: Con il bicchiere capovolto, la carta resta in alto, sul fondo del bicchiere.

5. Attacca la scala (facoltativo)

   Se vuoi misurare quanto sale l'acqua dentro il bicchiere, ritaglia la scala A e taglia anche, esattamente lungo la linea 0, la striscia di 7 mm sotto (quella con la scritta «0 = BORDO»). Attaccala all'esterno del bicchiere con il nastro, con il taglio dello 0 esattamente sul bordo dell'imboccatura.

6. Abbassa il bicchiere dritto

   Tieni il bicchiere capovolto per il fondo con una mano, ben verticale. Abbassalo piano e dritto finché l'imboccatura tocca il fondo del recipiente. Sentirai che l'acqua spinge verso l'alto.

   Verifica: Guarda di lato: dentro il bicchiere l'acqua è entrata appena; la carta è ancora in alto, circondata d'aria.

7. Resisti 10 secondi

   Tieni il bicchiere fermo e verticale per 10 secondi senza inclinarlo per niente. Se hai attaccato la scala, guarda di quanti millimetri è salita l'acqua dentro il bicchiere.

8. Tira fuori il bicchiere dritto

   Tira fuori il bicchiere verso l'alto, altrettanto dritto. Prima di girarlo, asciuga il bordo e l'esterno con lo strofinaccio perché non cadano gocce sulla carta.

9. Tocca la carta

   Gira il bicchiere, tira fuori la carta e toccala: è asciutta. Confrontala con un foglio che bagni apposta.

10. Ora inclinalo

    Rimetti dentro una carta asciutta e abbassa il bicchiere dritto. Quando è sul fondo, inclinalo di circa 45° da un lato: vedrai uscire grosse bolle d'aria. Tiralo fuori e tocca la carta: adesso è bagnata.

Funziona? La prova

Abbassa il bicchiere dritto fino al fondo di 13 cm d'acqua, aspetta 10 s, tiralo fuori dritto, asciuga il bordo e tocca la carta.

Cosa deve succedere: La carta esce completamente asciutta. Dentro il bicchiere l'acqua è salita solo di 1–1,5 mm sopra il bordo. Inclinandolo di 45° esce una grossa bolla d'aria e la carta si bagna.

Se qualcosa non va

• La carta esce bagnata — Il bicchiere si è inclinato mentre lo abbassavi o lo tiravi fuori, oppure sono cadute gocce dal bordo quando l'hai girato. Soluzione: Abbassalo e sollevalo ben dritto, piano, e asciuga il bordo all'esterno prima di girare il bicchiere.
• La carta cade quando giri il bicchiere — Pallina troppo piccola. Soluzione: Fai la pallina più grande e premila contro il fondo, oppure fissala con una pallina di gomma adesiva.
• La carta è bagnata solo sotto — La pallina arrivava troppo vicino all'imboccatura del bicchiere. Soluzione: La pallina deve occupare solo la metà superiore del bicchiere.
• Il bicchiere non viene coperto del tutto — Poca acqua o recipiente basso. Soluzione: Usa un recipiente più alto o aggiungi acqua fino a 3 cm più dell'altezza del bicchiere.
• La carta era umida già prima di iniziare — Il bicchiere aveva gocce dentro o le mani erano bagnate. Soluzione: Asciuga il bicchiere e le mani prima di fare ogni pallina.

Sicurezza

• Un recipiente grande pieno d'acqua pesa molto (5 L = 5 kg): riempilo dove deve stare usando una caraffa e non spostarlo quando è pieno.
• I bicchieri di vetro bagnati scivolano: con i più piccoli usane uno di plastica dura.
• Metti un asciugamano sotto e asciuga il pavimento alla fine per non scivolare.
• Non lasciare mai un bambino piccolo da solo vicino a un secchio o a una vasca con l'acqua.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Anche se sembra vuoto, il bicchiere è pieno d'aria. L'aria non si vede, ma occupa il suo posto, proprio come tu occupi la tua sedia. Quando abbassi il bicchiere capovolto, l'aria resta intrappolata dentro come in una bolla gigante e non ha da dove uscire, quindi l'acqua non può entrare: il posto è già occupato. Per questo la carta resta asciutta. Ma se inclini il bicchiere, apri una porta all'aria: esce a bolle verso l'alto e allora l'acqua entra e bagna la carta.

Per l'adulto

Il bicchiere capovolto intrappola un volume d'aria a pressione atmosferica (≈ 101,3 kPa). Perché entri l'acqua, l'aria dovrebbe uscire o comprimersi. Poiché l'aria è meno densa dell'acqua, non può scappare verso il basso dall'imboccatura finché il bicchiere è verticale. Si comprime però un po': all'imboccatura, a una profondità h, la pressione è p0 + ρgh. Con h = 0,13 m, ρgh ≈ 1,3 kPa, cioè l'1,3 % di p0; per la legge di Boyle (pV = costante a temperatura costante), il volume dell'aria si riduce dell'1,3 %, e in un bicchiere di 10 cm l'acqua sale di ≈ 1,3 mm. A 40 cm di profondità (vasca o piscina) salirebbe di ≈ 4 mm, e a 10 m (pressione doppia) l'aria occuperebbe metà del bicchiere. È il principio della campana subacquea, usata fin dall'antichità e nei cassoni pneumatici per costruire i piloni dei ponti. Inclinando il bicchiere, parte dell'imboccatura resta più in alto della superficie dell'acqua dentro il bicchiere (il confine tra aria e acqua); l'aria, per la spinta di Archimede, esce a bolle e l'acqua occupa il suo volume. L'esperimento dimostra anche che l'aria è materia: ha una massa (≈ 0,3 g in un bicchiere da 250 ml) e occupa un volume.

• materia: tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa, anche l'aria.
• aria: miscela di gas (soprattutto azoto e ossigeno) che ci circonda; non si vede, ma occupa spazio.
• pressione: forza con cui l'aria o l'acqua spingono su ogni pezzetto di superficie.
• comprimere: schiacciare qualcosa perché occupi meno spazio; l'aria si lascia comprimere, l'acqua quasi per niente.
• campana subacquea: campana aperta in basso che si cala in acqua con l'aria dentro perché i palombari possano respirare.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto prepara il recipiente. Il bambino fa la pallina, abbassa il bicchiere con due mani e tocca la carta. Insisti sull'idea «il bicchiere non è vuoto, è pieno d'aria».
• 8–10 anni: Lo fanno da soli, provano bicchieri di grandezze diverse e il travaso d'aria tra due bicchieri.
• 11–12 anni: Misurano con la scala A quanto sale l'acqua a due profondità, calcolano la compressione con la legge di Boyle e la confrontano con la misura.

In gruppo o in classe

Squadre da 4 con una bacinella o un secchio con 13 cm d'acqua per squadra (in cortile o sopra degli asciugamani), 2 bicchieri di plastica dura e carta da cucina. 25 min: previsione per iscritto (5), prova dritta e inclinata (10), travaso d'aria tra bicchieri (5), confronto finale (5). Tieni pronti mocio e asciugamani.

Sfide

• Costruisci una mini campana subacquea con una bottiglia tagliata e porta un pupazzetto di plastica sul fondo senza che si bagni.
• Passa l'aria da un bicchiere all'altro tre volte di seguito senza perdere nemmeno una bolla.
• Abbassa un bicchiere con la carta a 40 cm (vasca da bagno) e verifica se resta asciutta; misura quanto sale l'acqua.
• Spiega con un disegno perché un sottomarino ha bisogno di pompare aria per risalire.

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