Graffetta che galleggia sull'acqua

Cosa imparerà

• Che le molecole d'acqua si attraggono tra loro e che in superficie formano una pellicola elastica (tensione superficiale).
• Che un oggetto più denso dell'acqua può restare a galla se non rompe quella pellicola: a sostenerlo è la tensione, non la spinta.
• Che il detersivo (un tensioattivo) abbassa la tensione superficiale e per questo la graffetta affonda.
• Che conta il modo di appoggiarla: in orizzontale, distribuendo il peso su tutto il filo.

Prepara prima

• Sciacqua la ciotola 3 volte con sola acqua. Se è stata lavata con il detersivo per piatti, sciacquala con acqua molto calda e poi fredda.
• Lavati le mani e sciacquale bene: anche i residui di sapone sulle dita rovinano l'esperimento.
• Piega l'elevatore con la graffetta grande seguendo la sagoma A.
• Separa i veli della carta da cucina e taglia 6 quadrati di 4 × 4 cm.
• Metti 2–3 gocce di detersivo per piatti in un tappo, lontano dalla ciotola.

Materiali e attrezzi

• Ciotola — 1
  di vetro o ceramica, Ø 15–20 cm, sciacquata 3 volte con sola acqua (senza sapone) e non asciugata con lo strofinaccio
• Acqua del rubinetto — ≈ 1 L
  a temperatura ambiente, 4–6 cm di profondità
• Graffette metalliche piccole — 6–10
  d'acciaio, 28–33 mm, senza plastica, asciutte e pulite
• Graffette grandi — 1 + 5
  da 50 mm: una da piegare per l'elevatore e altre 5 per gli esperimenti dell'acqua calda e del sale
• Carta da cucina — 1 foglio
  separata in un solo velo, tagliata in quadrati di 4 × 4 cm
• Detersivo per piatti — 2–3 gocce
  in un tappo, per bagnarci uno stuzzicadenti
• Stuzzicadenti o cotton fioc — 2
  uno per il detersivo, un altro pulito per spingere la carta
• Sale fino — 2 cucchiai
  solo per l'esperimento del sale

Attrezzi

• Pinze a becchi lunghi — piegare la graffetta grande per l'elevatore adulto
• Forbici — tagliare i quadrati di carta
• Forchetta — metodo alternativo

Pezzi e sagome

• A · Sagoma di piegatura dell'elevatore ×1 — graffetta grande da 50 mm raddrizzata (filo ≈ 1 mm)
• B · Quadrato di carta da cucina ×6 — carta da cucina a un velo

Passo passo

1. Riempi la ciotola

   Riempi la ciotola sciacquata con acqua del rubinetto fino a 4–6 cm di profondità. Mettila su un tavolo dove nessuno la urti e aspetta 1 minuto che l'acqua sia completamente ferma.

2. Prova di controllo: lasciala cadere di colpo

   Lascia cadere una graffetta di taglio da 5 cm di altezza. Affonda subito: l'acciaio è quasi 8 volte più denso dell'acqua.

   Verifica: La graffetta è sul fondo. Lasciala lì; non mettere le dita nell'acqua (hanno grasso e sapone).

3. Prepara la carta

   Metti un quadrato di carta da cucina B a un velo sul palmo della mano e appoggiaci sopra una graffetta piccola, piatta, al centro.

4. Appoggia la carta sull'acqua

   Avvicina la mano alla superficie e lascia scivolare la carta sull'acqua, in orizzontale, senza farla cadere. La carta galleggia con la graffetta sopra.

5. Aiuta la carta ad affondare

   Aspetta 10–30 secondi che la carta si inzuppi. Se non affonda, spingi verso il basso ogni angolo della carta con la punta di uno stuzzicadenti pulito, uno alla volta, senza toccare la graffetta.

   Verifica: La carta va a fondo e la graffetta resta da sola sulla superficie, in un piccolo «avvallamento» d'acqua.

6. Metodo dell'elevatore

   Per la seconda graffetta, appoggiala per il lungo sulla U dell'elevatore A. Abbassa l'elevatore molto lentamente e in orizzontale finché la U entra nell'acqua; continua ad abbassarlo di 1 cm e toglilo di lato.

   Trucco: Se la graffetta si inclina, l'elevatore non è orizzontale: correggi la piega del manico.

7. Guarda l'avvallamento

   Metti gli occhi all'altezza dell'acqua e guarda la graffetta in controluce, oppure guarda la sua ombra sul fondo della ciotola: la superficie si abbassa intorno al filo come un tappeto elastico.

8. Prova con la forchetta

   Un altro modo: appoggia una graffetta piatta sui rebbi di una forchetta e abbassala piano e dritta fino a immergere i rebbi. Confronta quanti tentativi ti servono con ciascun metodo.

9. Rompi la pelle con il detersivo

   Bagna la punta di uno stuzzicadenti nel tappo con il detersivo per piatti e tocca l'acqua sul bordo della ciotola, a circa 5 cm dalle graffette. Le graffette si allontanano dallo stuzzicadenti e affondano in 1–2 secondi.

10. Pulisci prima di ripetere

    Butta l'acqua nel lavandino e sciacqua la ciotola 3 volte con sola acqua prima di riprovare. Basta una sola goccia di detersivo perché la graffetta non galleggi più.

    Verifica: Con l'acqua nuova, una graffetta torna a galleggiare con l'elevatore.

Funziona? La prova

Con la ciotola sciacquata e l'acqua ferma, appoggia una graffetta da 28–33 mm con l'elevatore o con la carta.

Cosa deve succedere: La graffetta resta sulla superficie a tempo indeterminato (minuti o ore) se nessuno tocca l'acqua; si vede l'avvallamento della superficie intorno al filo. Toccando l'acqua con il detersivo, affonda in 1–2 secondi.

Se qualcosa non va

• La graffetta affonda sempre, anche se la abbassi piano — Residui di sapone nella ciotola, nell'acqua o sulle dita. Soluzione: Cambia l'acqua, sciacqua la ciotola 3 volte senza sapone e lavati le mani solo con acqua.
• Affonda da una punta — La abbassi inclinata: una punta rompe la superficie prima del resto. Soluzione: Usa l'elevatore e verifica che la U sia orizzontale prima di abbassarlo.
• La carta affonda e trascina la graffetta — Carta a due veli o troppo grande. Soluzione: Un solo velo di 4 × 4 cm, e spingi gli angoli della carta con uno stuzzicadenti pulito, lontano dalla graffetta.
• Le graffette grandi non galleggiano — Pesano troppo per la lunghezza di filo che hanno (≈ 1,2 g). Soluzione: Usa graffette da 28–33 mm. Con quelle grandi funziona solo se le abbassi in modo perfetto.
• Le graffette che galleggiano si avvicinano tra loro o vanno verso il bordo — Gli avvallamenti della superficie si attraggono (effetto «cereali»). Soluzione: È normale. Se vuoi che restino ferme, abbassale lontane l'una dall'altra.

Sicurezza

• Attenzione all'acqua versata: asciuga il pavimento per evitare scivoloni.
• Esperimento dell'acqua calda: la versa un adulto; massimo 50 °C (tiepida-calda al tatto) per evitare scottature.
• Piegare la graffetta grande: con le pinze; le punte del filo pungono.
• Graffette e spilli sono piccoli: tienili fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.
• L'acqua con il detersivo non si beve; buttala nel lavandino.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Le goccioline d'acqua si danno la mano tra loro, e in superficie si tengono così forte da formare una specie di pelle elastica, come un tappeto elastico sottilissimo. Se appoggi la graffetta sdraiata e con delicatezza, la pelle si abbassa un pochino e la sostiene, come quando salti su un tappeto elastico. Se la lanci di punta, rompe la pelle e affonda. Il sapone fa sì che le goccioline si lascino la mano: la pelle si rompe e la graffetta va a fondo.

Per l'adulto

Le molecole d'acqua si attraggono tramite legami a idrogeno. All'interno, ogni molecola riceve attrazioni in tutte le direzioni; in superficie le manca metà delle vicine, e creare superficie costa energia. Quell'energia per unità di area è la tensione superficiale γ (≈ 0,072 N/m a 20 °C), che agisce come una forza per unità di lunghezza lungo qualsiasi linea della superficie. Una graffetta da 28–33 mm (≈ 0,45 g, peso ≈ 4,4 mN) ha circa 10 cm di filo da 0,8–0,9 mm. Quando la appoggi, la superficie si incurva formando un menisco su entrambi i lati del filo; la componente verticale della tensione può arrivare a 2γL ≈ 2 · 0,072 · 0,10 ≈ 14 mN, circa 3 volte il suo peso (a cui si aggiunge la piccola spinta dell'acqua spostata nell'avvallamento). Se entra di punta, la lunghezza di contatto è minima e la forza non basta: affonda. L'acciaio leggermente unto è idrofobo e l'acqua non lo «bagna», il che aiuta. Il detersivo è un tensioattivo: le sue molecole hanno una testa idrofila e una coda idrofoba, si dispongono in superficie e abbassano γ a ≈ 0,03 N/m; la forza massima scende a ≈ 6 mN e, inoltre, la differenza di tensione tra la zona con il sapone e quella pulita trascina la superficie (effetto Marangoni), il che muove le graffette prima di farle affondare. L'acqua calda ha un po' meno tensione (≈ 0,066 N/m a 60 °C) e il sale la aumenta leggermente.

• tensione superficiale: forza con cui si attraggono le molecole della superficie di un liquido, che la fa comportare come una pellicola elastica.
• molecola: la parte più piccola di una sostanza, come l'acqua, che è ancora quella sostanza.
• tensioattivo: sostanza, come il sapone, che si dispone sulla superficie dell'acqua e toglie forza alla sua pellicola.
• densità: quanta massa c'è in ogni pezzetto di volume; l'acciaio è quasi 8 volte più denso dell'acqua.
• menisco: curva che forma la superficie dell'acqua quando tocca un oggetto.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto prepara l'elevatore e abbassa le prime graffette; il bambino fa il metodo della carta ed è l'incaricato della goccia di detersivo. Messaggio: «l'acqua ha una pelle».
• 8–10 anni: Fanno tutto, compreso l'elevatore con un aiuto per le pinze. Fai confrontare i metodi (forchetta, carta, elevatore) contando i tentativi.
• 11–12 anni: Fai calcolare il peso della graffetta (pesandone 10 su una bilancia da cucina) e la forza massima della tensione superficiale con la lunghezza del filo, e fai progettare un oggetto di filo che sostenga un carico.

In gruppo o in classe

A coppie, una ciotola piccola o un contenitore per coppia (12 recipienti per 25 bambini), 6 graffette e 3 quadrati di carta per coppia. Gli elevatori li piega prima l'adulto. Il detersivo ce l'ha solo l'insegnante, che passa tra i tavoli alla fine: così nessuno contamina l'acqua prima del tempo. 30 min. Tieni una brocca di acqua pulita per cambiarla.

Sfide

• Costruisci una «barca» di carta stagnola di 5 × 5 cm e scopri quante graffette trasporta prima di affondare. Confronta con le graffette che galleggiano da sole.
• Piega con un filo sottile una figura piatta (una stella, una lettera) che galleggi sull'acqua.
• Fai muovere da sola una graffetta che galleggia verso un lato senza toccarla (indizio: un po' di sapone dal lato opposto).
• Fai galleggiare una graffetta da 50 mm. Che cosa devi cambiare nel metodo?

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