Graffetta sospesa da un magnete

Cosa imparerà

• Che un magnete attrae l'acciaio a distanza, senza toccarlo, e che questa forza cresce moltissimo avvicinandosi (pochi millimetri cambiano tutto).
• Che cos'è un equilibrio di forze: la graffetta sta ferma perché l'attrazione verso l'alto è uguale al peso più la tensione del filo verso il basso.
• Che il campo magnetico attraversa carta, plastica, alluminio o legno, ma viene deviato o bloccato dalle lamiere di acciaio (e dalle monete da 1, 2 e 5 centesimi, che sono di acciaio ramato).
• A regolare una misura con precisione millimetrica e a misurare la distanza massima con un righello.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e verifica con un righello la linea rossa di 50 mm dell'intestazione.
• Tieni il magnete al neodimio nel suo blister o attaccato a una lamiera fino al momento di usarlo; mai in tasca insieme a un altro magnete.
• Prova prima il magnete: avvicinalo a una graffetta appoggiata sul tavolo e misura a che distanza la graffetta salta. Se salta a meno di 5 mm, il magnete è troppo debole per questo progetto.
• Pretaglia la base e la colonna con il taglierino se i bambini hanno meno di 8 anni.
• Tieni pronte strisce di carta, carta stagnola, una moneta da 1 centesimo, una da 10 centesimi e un coperchio di latta per gli esperimenti.

Materiali e attrezzi

• Magnete al neodimio — 1 da comprare
  disco Ø 15–20 mm × 5 mm, grado N35 o superiore (attrae una graffetta da 15–25 mm)
• Graffetta metallica — 2–3
  graffetta normale di acciaio da 28–33 mm (va bene anche quella plastificata colorata)
• Filo da cucito — 1 pezzo da 30 cm
  filo sottile di cotone o poliestere, di colore scuro perché si veda nelle foto
• Cartone ondulato spesso — 1 foglio da 30 × 40 cm
  a onda singola, 3–4 mm (scatola da spedizione), piatto e senza pieghe
• Pasta adesiva — 1 pallina da 1 cm
  tipo Blu-Tack o Pritt Multi-Tack, per fissare il filo in modo regolabile
• Nastro adesivo — 30 cm
  trasparente o nastro di carta
• Colla vinilica o stick di colla a caldo — qualche goccia / 1 stick
  per incollare strati, colonna, braccio e magnete

Attrezzi

• Righello di metallo e matita — segnare i pezzi e misurare la distanza
• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare il cartone spesso adulto
• Forbici — ritagliare sagome e filo
• Penna scarica — segnare le pieghe della colonna
• Pistola per colla a caldo (facoltativa) — incollaggio rapido di colonna e magnete adulto

Pezzi e sagome

• A · Base (2 strati) ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• B · Colonna triangolare ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Braccio (2 strati) ×2 — cartone ondulato 3 mm
• D · Squadrette della colonna ×2 — cartone ondulato 3 mm
• E · Filo ×1 — filo da cucito

Passo passo

1. Prova il magnete

   Lascia una graffetta sul tavolo e avvicina il magnete dall'alto, piano, con un righello in piedi accanto. Annota a che altezza la graffetta salta verso il magnete: con un neodimio di Ø 20 × 5 mm di solito salta a 15–25 mm.

   Verifica: Se salta a meno di 5 mm, cerca un magnete più forte prima di continuare.
   Trucco: Quel numero è la tua «portata»: la graffetta potrà fluttuare a una distanza un po' minore.

2. Taglia e incolla la base adulto

   Taglia i due pezzi A da 120 × 180 mm. Incollali uno sull'altro con la colla vinilica, con le onde incrociate, e mettici sopra dei libri per 10 minuti perché restino piatti.

   Verifica: La base appoggiata sul tavolo non traballa da nessun angolo.

3. Piega la colonna

   Taglia il pezzo B da 100 × 200 mm. Segna le tre pieghe (a 30, 60 e 90 mm) passando la penna scarica lungo il righello e piegale. Chiudi un prisma triangolare incollando la linguetta di 10 mm all'interno della faccia 1.

   Verifica: Visto dall'alto è un triangolo di 30 mm di lato e non si storce quando lo stringi.

4. Incolla la colonna alla base adulto

   Metti colla vinilica o colla a caldo sulla base del prisma e incollalo sull'impronta triangolare del pezzo A, con la faccia 1 rivolta DAVANTI. Rinforza con le due squadrette D, una davanti e una dietro. Dietro restano solo 17 mm tra il vertice della colonna e il bordo della base: prima di incollarla, ritaglia la squadretta posteriore lungo la linea di taglio a 15 mm, perché non sporga.

   Verifica: Con una squadra, la colonna è verticale nelle due direzioni.

5. Prepara il braccio

   Taglia i due pezzi C da 30 × 170 mm, incollali tra loro nel tratto di 130 mm (senza incollare le alette) e segna la piega a 130 mm. Piega le due alette di 40 mm a 90° verso il basso.

6. Monta il braccio adulto

   Appoggia il tratto segnato «su colonna» sopra il prisma, con il braccio in avanti e la linea dei 104 mm proprio sopra la faccia anteriore. Incolla quella parte con colla vinilica o a caldo, apri le due alette a V e incolla ognuna su una faccia posteriore della colonna.

   Verifica: Il braccio resta orizzontale: una biglia lasciata sopra non rotola. La punta del braccio sta 104 mm davanti alla faccia anteriore della colonna (il centro del magnete, a 92 mm).

7. Incolla il magnete adulto

   Metti una goccia di colla a caldo o di colla sulla croce segnata sotto la punta del braccio (a 12 mm dall'estremità) e incolla il magnete piatto. Aggiungi sopra una striscia di nastro a croce perché non cada mai.

   Verifica: Misura dalla base alla faccia inferiore del magnete: circa 195 mm.
   Trucco: Se il magnete è al neodimio, tieni lontane graffette e forbici mentre asciuga: le attrae e si stacca.

8. Lega il filo alla graffetta

   Taglia 300 mm di filo e legalo a una delle curve dell'estremità della graffetta con due nodi di seguito. Taglia la coda in eccesso a 5 mm dal nodo.

   Verifica: Appendi la graffetta al filo: deve restare verticale, allineata con il filo.

9. Metti la pasta adesiva sulla base

   Fai una pallina di pasta adesiva da 1 cm e schiacciala sulla croce di ancoraggio della base, proprio sotto il magnete (a 45 mm dal bordo anteriore, centrata).

   Verifica: Guarda dall'alto: la pasta adesiva è sulla verticale del magnete. Se no, la graffetta fluttuerà inclinata.

10. Attacca la graffetta al magnete

    Tieni l'estremità libera del filo e avvicina la graffetta al magnete finché non ci si attacca. Lascia che il filo penda dritto fino alla pasta adesiva.

11. Regola la distanza

    Infila il filo sotto la pasta adesiva e tiralo verso il basso, millimetro per millimetro, finché la graffetta si stacca dal magnete e resta sospesa a 3–5 mm. Premi la pasta adesiva con il dito per fissare il filo.

    Verifica: Soffia piano: la graffetta oscilla ma torna al suo posto senza attaccarsi né cadere.
    Trucco: Se la graffetta cade quando tiri, hai tirato troppo: rilascia un po' di filo e riavvicinala.

12. Trova la distanza massima

    Aumenta la distanza di 1 mm alla volta finché la graffetta cade. Torna all'ultima distanza a cui fluttuava e fissala definitivamente con un pezzo di nastro sul filo, accanto alla pasta adesiva.

    Verifica: Misura la distanza con un righello e annotala: con un neodimio N35 di Ø 20 mm, tra 8 e 15 mm.

13. Fai la prova della carta

    Passa una striscia di carta larga 3 cm nello spazio tra la graffetta e il magnete, senza toccare nessuno dei due. Ripeti con plastica, carta stagnola e un coperchio di latta.

    Verifica: Con carta, plastica e alluminio la graffetta continua a fluttuare; con il coperchio di acciaio cade.

Funziona? La prova

Con la distanza regolata, lascia il supporto fermo sul tavolo per 5 minuti e poi passa nello spazio carta, alluminio, una moneta da 10 centesimi e una da 1 centesimo.

Cosa deve succedere: La graffetta fluttua ferma a 8–15 mm dal magnete (neodimio Ø 20 × 5 mm) per ore. Carta, plastica, alluminio e la moneta da 10 centesimi non hanno effetto; la moneta da 1 centesimo e il coperchio di latta (acciaio) deviano il campo e la graffetta cade o salta verso di essi.

Se qualcosa non va

• La graffetta si attacca al magnete e non c'è modo di staccarla lasciando spazio — Distanza troppo piccola: a 1–2 mm l'attrazione è enorme. Soluzione: Tira il filo con decisione fino a separarla di 5 mm e poi regola verso l'alto poco a poco, non al contrario.
• La graffetta cade appena la lasci — Distanza maggiore della portata del magnete, o magnete debole (ferrite, frigorifero). Soluzione: Accorcia la distanza di 2 mm o passa a un magnete al neodimio di Ø 15–20 mm.
• La graffetta fluttua inclinata e va verso la colonna — La pasta adesiva non è sulla verticale del magnete o c'è acciaio vicino (viti del tavolo, forbici). Soluzione: Sposta la pasta adesiva finché il filo resta verticale e allontana gli oggetti metallici.
• La distanza cambia da sola col tempo — Il braccio si incurva o il filo scivola sotto la pasta adesiva. Soluzione: Usa il braccio a due strati con le onde nel senso della lunghezza e fissa il filo con del nastro sopra la pasta adesiva.
• Il magnete si stacca dal braccio — Il magnete attrae la graffetta e il solo nastro cede con il peso. Soluzione: Incollalo con colla a caldo o colla universale e aggiungi il nastro a croce.
• La graffetta ruota e resta di lato — Il filo è legato al centro della graffetta. Soluzione: Legalo a una delle curve dell'estremità perché la graffetta penda allineata con il filo.

Sicurezza

• I magneti al neodimio pizzicano forte la pelle se due si uniscono: maneggiali uno alla volta e mai tra le dita.
• Se un bambino ingoia due magneti (o un magnete e un pezzo di acciaio), si attraggono dentro l'intestino e possono perforarlo: pronto soccorso immediatamente. Fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.
• Tieni il magnete a più di 10 cm da cellulari, carte bancarie, orologi meccanici e pacemaker.
• Il taglierino lo usa un adulto con righello di metallo e tappetino da taglio.
• La colla a caldo scotta: l'adulto la applica, il bambino indica dove.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Il magnete ha delle braccia invisibili che tirano la graffetta verso l'alto, anche se non la tocca. Il filo è come un guinzaglio che tira verso il basso. Quando tutti e due tirano con la stessa forza, come due bambini ugualmente forti che giocano al tiro alla fune, la graffetta resta ferma in mezzo. Quelle braccia invisibili attraversano la carta come se non ci fosse, ma una lamiera di ferro se le «mangia» e la graffetta cade.

Per l'adulto

Il magnete crea un campo magnetico che magnetizza temporaneamente l'acciaio della graffetta (materiale ferromagnetico): i suoi domini si orientano e compare un polo opposto di fronte al magnete, da qui l'attrazione. La forza diminuisce molto rapidamente con la distanza (circa con la 4ª potenza della distanza per un dipolo di fronte a un materiale dolce a distanze maggiori delle dimensioni del magnete), per questo pochi millimetri fanno la differenza tra attaccarsi e cadere. All'equilibrio, F magnetica = peso della graffetta (≈ 0,5 g → 0,005 N) + tensione del filo. È un equilibrio stabile solo grazie al filo: se la graffetta sale, l'attrazione aumenta, ma il filo la trattiene; se scende, l'attrazione diminuisce e anche la tensione. Senza il filo non esiste levitazione statica stabile con magneti permanenti (teorema di Earnshaw). I materiali non ferromagnetici (carta, plastica, alluminio, rame, la lega «oro nordico» delle monete da 10, 20 e 50 centesimi) sono praticamente trasparenti al campo; l'acciaio (coperchi di latta, monete da 1, 2 e 5 centesimi, che sono di acciaio ricoperto di rame) incanala le linee di campo al suo interno e «scherma» la graffetta.

• campo magnetico: zona intorno a un magnete in cui si sentono le sue forze.
• ferromagnetico: materiale, come il ferro o l'acciaio, che un magnete attrae e che può magnetizzarsi.
• equilibrio: situazione in cui le forze si compensano e l'oggetto resta fermo.
• tensione: forza con cui tira un filo o una corda tesa.
• schermare: bloccare o deviare un campo con un materiale che lo assorbe.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto monta il supporto e incolla il magnete. Il bambino lega la graffetta (con aiuto per il nodo), la avvicina al magnete e tira il filo finché fluttua. Gioco preferito: passare foglietti nello spazio «senza rompere la magia».
• 8–10 anni: Costruiscono tutto con aiuto solo per il taglierino. Fai misurare la distanza massima e fare la tabella dei materiali con una previsione prima di ogni prova.
• 11–12 anni: Fai confrontare i magneti, fare un grafico distanza–numero di graffette e spiegare con un disegno delle forze perché l'equilibrio è stabile solo grazie al filo.

In gruppo o in classe

Coppie, un supporto per coppia (≈ 1,5 € di magnete). Prima della sessione: pretagliare basi, colonne e bracci, e avere un magnete per coppia nel suo blister. Sessione di 45 min: 5 min dimostrazione, 20 min montaggio, 20 min stazione dei materiali (una scatola con carta, alluminio, monete, coperchi di latta) e gara della distanza massima. Alla fine raccogli e conta i magneti.

Sfide

• Fai fluttuare la graffetta con il filo inclinato di 30°, spostando la pasta adesiva in avanti.
• Costruisci un «filo di graffette fluttuanti»: tre graffette in catena senza toccare il magnete.
• Fai fluttuare una graffetta in mezzo a una figura di cartone (un razzo, un palloncino) usando un filo da pesca invisibile.
• Trova in casa 5 oggetti che fanno cadere la graffetta e 5 che non la fanno cadere, e spiega che cosa hanno in comune.

Altri progetti gratis

• Bussola ad ago galleggiante
• Elettromagnete con interruttore
• Motore a bobina e pila
• Motore senza spazzole con pila e magnete
• Trenino a pila e magneti

Vedi tutti i progetti