Lanterna delle ombre di Halloween

Cosa imparerà

• Che la luce viaggia in linea retta e che un'ombra è la zona dove non arriva perché qualcosa si mette in mezzo.
• Che l'ombra cresce allontanando la parete in proporzione alla distanza (triangoli simili): con la parete a 1,5 m, una sagoma di 3 cm dà un'ombra di circa 90 cm.
• Che cosa sono l'umbra e la penombra, e perché una luce piccola dà ombre più nitide di una grande.
• Come montare un circuito con LED, resistenza e interruttore rispettando la polarità.
• Perché un oggetto appeso a un punto sopra il suo baricentro è stabile e gira con pochissimo attrito.

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.
• Prova il LED con la resistenza e le pile prima della sessione (passaggio 1): così sai che il componente funziona.
• Lava la bottiglia, togli l'etichetta e asciugala bene all'interno.
• Se i bambini sono piccoli, taglia tu la bottiglia e le finestre dell'involucro prima della sessione (sono i tagli delicati).
• Scegli la stanza della prova: deve potersi oscurare completamente e avere una parete chiara e liscia a 1–2 m da un tavolo.

Materiali e attrezzi

• Cartoncino nero — 2 fogli A4
  200–250 g/m², opaco (metti un foglio davanti a una torcia: non deve passare luce)
• Bottiglia d'acqua di plastica trasparente — 1
  0,5 L, in PET, liscia (senza anelli né rilievi sul corpo), Ø 60–70 mm, con il suo tappo
• Matita corta — 1
  di grafite HB, esagonale di Ø 7 mm, lunga 8–9 cm (quelle dei negozi di mobili o una consumata), ben appuntita
• Cartone ondulato — 1 pezzo di 25 × 35 cm
  a onda singola, 3 mm, liscio e piatto (per la base di 160 × 230 mm e il coperchio di Ø 100 mm)
• LED bianco da 5 mm grandangolare — 1 (+1 di scorta) da comprare
  «a cappello di paglia» o a testa piatta, angolo di 120°, 3,0–3,3 V / 20 mA, piedini lunghi non tagliati (quello lungo è il +)
• Resistenza da 100 Ω — 1 da comprare
  1/4 W (colori marrone-nero-marrone)
• Portabatterie per 3 pile stilo AA con interruttore — 1 da comprare
  con coperchio, interruttore e cavi rosso (+) e nero (−) di circa 15 cm
• Pile stilo AA — 3
  alcaline da 1,5 V (4,5 V in tutto)
• Plastilina — ≈ 30 g
  una pallina di Ø 15 mm per il LED e 3 palline di Ø 10 mm per la bottiglia
• Colla vinilica — un goccio
  da falegname o scolastica
• Nastro adesivo — ≈ 40 cm
  trasparente da 19 mm o nastro di carta (per fissare la sagoma e isolare le giunzioni)
• Fogli A4 — 4
  per stampare le sagome A, B, C e D al 100 %
• Carta cellofan colorata (facoltativa) — 1 pezzo di 10 × 10 cm
  arancione o viola, per colorare la luce di qualche finestra

Attrezzi

• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare la bottiglia e le finestre dell'involucro adulto
• Forbici a punta fine — ritagliare il contorno dei pannelli e le curve delle figure
• Punteruolo — fare la fossetta nel tappo, il foro nel coperchio e le stelle adulto
• Pistola per colla a caldo — fissare la matita nel coperchio adulto
• Righello, matita e squadra — misurare la bottiglia e verificare che la matita resti verticale
• Pennarello indelebile e alcuni libri — segnare la linea di taglio della bottiglia a 145 mm
• Mollette da bucato (4) — tenere ferme la cucitura e l'orlo mentre asciuga la colla

Pezzi e sagome

• A · Involucro: metà con zucca e fantasma ×1 — cartoncino nero 200–250 g
• B · Involucro: metà con luna e casa stregata ×1 — cartoncino nero 200–250 g
• C · Coperchio ×1 — cartone ondulato 3 mm
• D · Base ×1 — cartone ondulato 3 mm

Passo passo

1. Prova il circuito

   Attorciglia un piedino della resistenza da 100 Ω con il piedino lungo (+) del LED. Collega il cavo rosso del portabatterie all'altro piedino della resistenza e il cavo nero al piedino corto (−) del LED. Metti le 3 pile stilo AA e accendi l'interruttore: il LED deve fare una luce bianca forte.

   Verifica: Se non si accende, gira il LED (scambia i piedini): fa passare la corrente solo in un verso.
   Trucco: Non toccare i due piedini del LED direttamente con i cavi senza la resistenza: con 4,5 V si rovina in pochi secondi.

2. Taglia la bottiglia adulto

   Metti la bottiglia a testa in giù (con il tappo) sul tavolo. Appoggia un pennarello su una pila di libri alta 145 mm e fai girare la bottiglia contro la punta per segnare una linea tutto intorno. Taglia lungo la linea: un buco con il taglierino e poi le forbici. Tieni la parte con il tappo.

   Verifica: La parte con il tappo è alta 145 mm (± 5) e il bordo tagliato appoggia piatto sul tavolo senza traballare.
   Trucco: Se il bordo resta con delle punte, pareggialo con le forbici o coprilo con una striscia di nastro: taglia.

3. Fai la fossetta nel tappo adulto

   Avvita bene il tappo. Segna il centro con il pennarello e premi lì la punta del punteruolo facendola girare, fino ad affondare la plastica di 1 mm, senza bucarla. Quella fossetta è il cuscinetto: la punta della matita girerà dentro di essa.

   Verifica: La punta di una matita appoggiata nella fossetta resta al suo posto anche se inclini un po' la bottiglia.
   Trucco: Se la buchi per sbaglio, non succede niente: incollaci sopra una moneta da 1 centesimo con la plastilina e fai appoggiare la matita al suo centro.

4. Fissa le sagome e taglia il contorno

   Attacca ogni foglio delle sagome A e B su un cartoncino nero con 4 pezzi di nastro agli angoli. Taglia con le forbici i due strati insieme lungo la linea continua esterna: le 8 linguette in alto, la linguetta laterale e l'orlo in basso.

   Verifica: Ogni pannello è largo 157 mm senza contare la linguetta laterale di 12 mm.
   Trucco: Non togliere ancora il foglio: ti serve da guida per le finestre e le stelle.

5. Ritaglia le finestre del pannello A adulto

   Sul tappetino da taglio, ritaglia con il taglierino le zone grigie del pannello A: lo sfondo della finestra della zucca (52 × 40 mm), i suoi occhi e la sua bocca, e le due zone della finestra del fantasma con i suoi occhi e la sua bocca. Taglia prima i piccoli vuoti interni e poi il contorno di ogni finestra.

   Verifica: La zucca resta unita alla cornice in basso e il fantasma per le due mani.
   Trucco: I bambini dai 9 anni in su possono ritagliare le curve grandi con le forbici a punta fine se l'adulto fa prima un buco per infilare la punta.

6. Ritaglia le finestre del pannello B adulto

   Ritaglia dal pannello B le due zone grigie della luna (sopra e sotto il pipistrello) e quelle della casa stregata con le sue finestre, la porta e l'oblò del tetto. Il pipistrello resta attaccato per le punte delle ali e la torre per la punta in alto.

   Verifica: Sollevando il pannello da un angolo, il pipistrello e la casa non si piegano né pendono staccati.
   Trucco: Se tagli un ponte per sbaglio, sistemalo all'interno con un pezzetto di nastro: l'ombra del nastro quasi non si nota.

7. Fora le stelle adulto

   Metti ogni pannello su una grossa palla di plastilina o su un pezzo di cartone spesso e buca con il punteruolo ogni cerchio della zona in alto: 13 stelle per pannello, da 3 mm le piccole e da 4,5 mm le grandi. Poi togli il foglio e il nastro.

   Verifica: Guardando una lampada attraverso il pannello vedi 13 puntini di luce e le 2 finestre.
   Trucco: Per Halloween puoi aggiungere qualche stella in più, ma non fare fori nella striscia di 12 mm del bordo sinistro: lì si incolla la linguetta dell'altro pannello.

8. Piega le linguette e incolla l'orlo

   Piega verso l'interno (verso il lato dove c'era il foglio) le 8 linguette in alto di ogni pannello, a 90°. Piega anche l'orlo di 10 mm in basso, mettici la colla vinilica e incollalo all'interno sul pannello. Tienilo fermo con le mollette per 5 minuti.

   Verifica: L'orlo resta piatto e non copre la parte bassa delle finestre.
   Trucco: Segna prima le pieghe passando con il righello una penna senza inchiostro: così si piegano dritte.

9. Chiudi l'involucro

   Metti la colla sulla linguetta laterale del pannello A e incollala all'interno sotto il bordo sinistro del pannello B, con i bordi superiori alla stessa altezza. Curva i pannelli e incolla allo stesso modo la linguetta di B sotto il bordo sinistro di A. Tieni ferme le due cuciture con le mollette per 10 minuti.

   Verifica: L'involucro è un cilindro di 100 mm di diametro (misuralo da parte a parte in alto e in basso) e alto 150 mm.
   Trucco: Tieni l'involucro in piedi sul tavolo mentre asciuga: così resta rotondo e non ovale.

10. Taglia il coperchio e la base adulto

    Incolla le sagome C e D sul cartone ondulato e ritagliale: il coperchio è un cerchio di Ø 100 mm e la base un rettangolo di 160 × 230 mm. Fai il foro al centro del coperchio con il punteruolo e allargalo girando la matita stessa finché entra giusta, stretta.

    Verifica: La matita entra nel coperchio a pressione e non cade da sola quando lo capovolgi.
    Trucco: Lascia la carta della sagoma D incollata sulla base: i suoi segni ti diranno dove va ogni cosa.

11. Incolla il coperchio

    Metti l'involucro in piedi con le linguette piegate verso l'interno. Metti una goccia di colla su ognuna delle 16 linguette e appoggiaci sopra il coperchio C, con il bordo proprio sopra il bordo dell'involucro. Mettici sopra un libro e lascia asciugare 15 minuti.

    Verifica: Visto dall'alto, il coperchio non sporge da nessuna parte: così il foro resta al centro dell'involucro.
    Trucco: Se il coperchio sporge da un lato, l'involucro si sarà ovalizzato: premilo con delicatezza finché coincide, prima che asciughi.

12. Sistema la matita adulto

    Misura l'altezza della tua bottiglia dal bordo tagliato alla cima del tappo (circa 145 mm). Calcola quanto deve sporgere la matita sotto il coperchio: 160 − altezza della bottiglia. Con 145 mm, sono 15 mm. Infila la matita nel foro, con la punta in giù, fino a quella misura, e fissala con la colla a caldo dall'alto.

    Verifica: Con la squadra appoggiata al coperchio, la matita resta verticale e la punta sporge della misura calcolata.
    Trucco: Prima di incollarla, tocca un paio di volte un foglio con la punta della matita: una punta molto fine si rompe; una un po' smussata gira altrettanto bene.

13. Monta il LED sulla base

    Attacca una pallina di plastilina di Ø 15 mm sulla croce al centro della base D. Piega i piedini del LED verso i lati, 3 mm sotto la testa, e infilalo nella plastilina rivolto verso l'alto. Collega la resistenza e i cavi come nel passaggio 1, copri ogni giunzione con il nastro e porta i cavi fino al portabatterie, nella zona DAVANTI.

    Verifica: Il LED resta proprio sopra la croce, dritto, e i piedini non si toccano tra loro.
    Trucco: Fissa i cavi alla base con il nastro: così il LED non si sposta se tiri per sbaglio il portabatterie.

14. Sistema la bottiglia

    Attacca 3 palline di plastilina di Ø 10 mm sul bordo tagliato della bottiglia, distribuite. Metti la bottiglia sopra il LED, centrata tra i due cerchi grigi della base, e premi un po'. I cavi escono sotto il bordo, tra due palline.

    Verifica: Guardando dall'alto attraverso il tappo, il LED resta al centro della bottiglia.
    Trucco: Se la bottiglia non resta verticale, schiaccia un po' di più la pallina del lato più alto.

15. Appendi l'involucro e fallo girare

    Abbassa l'involucro sulla bottiglia finché la punta della matita entra nella fossetta del tappo: sentirai che resta appeso dritto. Spegni la luce della stanza, accendi il LED e gira la matita tra due dita, piano, come una trottola.

    Verifica: Il bordo inferiore dell'involucro resta a 8–12 mm dalla base e alla stessa distanza dalla bottiglia su tutti i lati.
    Trucco: Atmosfera: metti la lanterna al centro del tavolo della merenda di Halloween, con ragnatele di cotone intorno alla base (non sopra l'involucro), e racconta una storia mentre i fantasmi passano sulla parete.

Funziona? La prova

In una stanza completamente al buio, metti la lanterna su un tavolo a 1,5 m da una parete chiara. Accendi il LED, gira la matita con le dita e misura con un metro la grandezza dell'ombra della zucca sulla parete. Cronometra per quanto tempo l'involucro continua a girare dopo una spinta.

Cosa deve succedere: Su ogni parete compaiono macchie di luce alte circa 1,2 m e larghe 1,5 m con la zucca, il fantasma, il pipistrello sulla luna e la casa in nero (la zucca misura quasi 1 m) e, più in alto, puntini di stelle che arrivano al soffitto. Con una spinta leggera l'involucro continua a girare per circa 20–40 s (stima: dipende dalla punta della matita e dalla fossetta).

Se qualcosa non va

• Il LED non si accende — LED al contrario, giunzione staccata o pile messe male. Soluzione: Verifica che il piedino lungo vada alla resistenza e questa al cavo rosso; attorciglia di nuovo ogni giunzione; guarda il disegno di + e − dentro il portabatterie.
• L'involucro sfrega contro la bottiglia o pende storto — La matita non è al centro del coperchio o non è verticale, oppure l'involucro si è ovalizzato. Soluzione: Verifica con la squadra che la matita sia dritta e correggila scaldando la colla a caldo; se l'involucro è ovale, premilo delicatamente finché torna rotondo.
• Fa solo uno o due giri — La punta della matita sfrega fuori dalla fossetta, la punta è rotta o il bordo dell'involucro tocca la base. Soluzione: Rifai la fossetta nel centro esatto del tappo, appuntisci di nuovo la matita e alza l'involucro (la matita deve sporgere 2–3 mm in più) perché resti a 10 mm dalla base.
• Le ombre vengono sfocate — La parete è troppo lontana, il LED ha luce diffusa o c'è un'altra luce accesa nella stanza. Soluzione: Avvicina la lanterna a 1–1,5 m dalla parete, usa un LED trasparente (non lattiginoso) e spegni tutte le luci e gli schermi.
• Le ombre crescono e si rimpiccioliscono mentre gira — Il LED non è al centro dell'involucro. Soluzione: Solleva la bottiglia e sposta il LED sulla croce della base; verifica guardando attraverso il tappo che resti al centro.
• Le ombre cadono sul soffitto o sul tavolo e non sulla parete — Il LED è troppo basso o troppo alto rispetto alle finestre, oppure punta storto. Soluzione: Il LED deve stare circa 10 mm sopra la base, dritto verso l'alto, e l'involucro a 10 mm dalla base. Se vuoi le ombre più in basso, alza il LED con più plastilina.
• Si vede una striscia di luce che gira con l'involucro — Una delle cuciture è aperta. Soluzione: Incolla di nuovo la linguetta all'interno e tienila ferma con le mollette mentre asciuga.

Sicurezza

• Il taglio della bottiglia e delle finestre con il taglierino lo fa un adulto, su un tappetino da taglio e con la mano che tiene sempre dietro la lama. Il bordo tagliato della bottiglia punge: pareggialo o coprilo con il nastro.
• La colla a caldo e il punteruolo li usa un adulto; il bambino indica dove.
• Non mettere mai una candela, una lampadina a incandescenza o qualcosa che scaldi dentro la lanterna: è di cartoncino e cartone. Il LED si scalda appena (consuma circa 0,05 W).
• Non unire i due cavi del portabatterie senza il LED e la resistenza (cortocircuito: le pile si scaldano). Spegni l'interruttore quando hai finito.
• Nella stanza al buio, togli dal pavimento giocattoli e cavi prima di spegnere la luce e non correre.
• Non guardare il LED da vicino a lungo: è molto luminoso e abbaglia.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La luce esce dal LED e viaggia sempre in linea retta, come se fossero frecce velocissime. Dove il cartoncino nero è ritagliato, le frecce passano e arrivano alla parete; dove c'è il cartoncino, restano intrappolate e sulla parete resta un pezzo scuro: l'ombra. Siccome le frecce si allargano mentre viaggiano, più la parete è lontana, più l'ombra diventa grande, proprio come quando avvicini la mano a una torcia e compare un mostro gigante. Il LED è piccolissimo, quasi un puntino, e per questo i bordi dell'ombra vengono netti; con una luce grande, i bordi si vedono sfocati. E siccome l'involucro gira, tutte le ombre fanno il giro della stanza.

Per l'adulto

Propagazione rettilinea e triangoli simili: un punto dell'involucro a una distanza orizzontale d = 50 mm dal LED si proietta su una parete a distanza D con un ingrandimento D/d. Con la parete a 1,5 m l'ingrandimento è 30: la zucca di 35 mm dà un'ombra di circa 1,05 m e ogni finestra di 40 × 52 mm una macchia alta 1,2 m e larga circa 1,7 m (la finestra copre 60° dell'involucro). L'illuminamento cala con 1/D²: a 3 m l'ombra è grande il doppio ma la parete riceve 4 volte meno luce. Umbra e penombra: se la sorgente misura s, il bordo dell'ombra ha una zona di penombra di larghezza ≈ s·(D − d)/d. Con un LED la cui grandezza apparente è di circa 2 mm (stima), a 1,5 m la penombra è di circa 6 cm su un'ombra di 1 m: nitida. Con una candela LED (fiamma di plastica di ≈ 10 mm) sarebbe di circa 30 cm, e con una lampadina di 60 mm di 1,8 m: non ci sarebbe un'ombra riconoscibile, solo una macchia grigia. Per questo le figure sono progettate senza dettagli più piccoli di 4–5 mm (darebbero 12–15 cm sulla parete, dell'ordine della penombra). Posizione ideale del LED: sull'asse dell'involucro, perché così tutte le sagome sono alla stessa d e l'ombra non cambia grandezza mentre gira (con il LED spostato di 10 mm, d oscilla tra 40 e 60 mm e l'ingrandimento tra 37 e 25: le ombre «respirano» del 50 % a ogni giro); e in altezza, circa 10 mm sotto il bordo inferiore delle finestre (che vanno da 20 a 60 mm sopra la base), perché i raggi escano tra 11° e 45° verso l'alto e cadano sulle pareti e non sul tavolo. Si usa un LED grandangolare (120°) rivolto verso l'alto: uno normale da 20–30° concentrerebbe la luce sul coperchio. Le stelle, a 50–70° di elevazione, cadono in cima alla parete e sul soffitto. Circuito: 3 pile stilo AA danno 4,5 V; il LED bianco richiede ≈ 3,1 V, quindi la resistenza da 100 Ω limita la corrente a I = (4,5 − 3,1)/100 ≈ 14 mA (≈ 17 mA con pile nuove da 4,8 V), sotto i 20 mA nominali; consumo ≈ 0,05 W, circa 130 h con pile alcaline da 2000 mAh (stima). Perno: l'involucro (≈ 20 g con coperchio e matita) pende dalla punta della matita e il suo baricentro resta circa 3 cm sotto il punto d'appoggio, come un pendolo: se si inclina, il peso lo raddrizza da solo. La coppia d'attrito di una punta è ≈ μ·m·g·a, con un raggio di contatto a di decimi di millimetro: circa 4·10⁻⁶ N·m. Uno spiedino di legno dentro una cannuccia sfrega lungo tutta la cannuccia con raggio 1,5 mm (circa 20 volte più coppia) e in più occuperebbe l'asse, proprio dove deve andare il LED. La grafite, inoltre, è un lubrificante solido. Perché non gira da sola come le lanterne a candela: una candela emette circa 80 W di calore che creano una corrente d'aria ascendente; il LED solo 0,05 W, insufficiente (e molto più sicuro). La velocità dell'ombra sulla parete è v = ω·D: a un giro ogni 3 s e 1,5 m, circa 3 m/s, per questo conviene farla girare piano.

• ombra: zona dove non arriva la luce perché un oggetto opaco si mette sulla sua strada.
• umbra: parte centrale dell'ombra, completamente scura: lì non arriva luce da nessun punto della sorgente.
• penombra: bordo grigio dell'ombra, dove arriva luce solo da una parte della sorgente; è tanto più larga quanto più grande è la luce.
• opaco: materiale che non lascia passare la luce, come il cartoncino nero.
• perno: punto su cui gira qualcosa; qui, la punta della matita nella fossetta del tappo.
• baricentro: punto in cui si può considerare concentrato tutto il peso di un oggetto.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia la bottiglia, le finestre e le stelle e incolla la matita. Il bambino fissa le sagome, ritaglia il contorno esterno con le forbici, piega le linguette, incolla l'orlo e il coperchio, mette la plastilina e il LED e scopre nella stanza buia che l'ombra cresce allontanando la parete. Alternativa senza circuito: una candela LED a pile al centro (ombre un po' più sfocate).
• 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi con aiuto solo per taglierino, punteruolo e colla a caldo. Fai montare a loro il circuito, fagli trovare la polarità del LED e misurare l'ombra a 1 e 2 m per verificare che raddoppia la sua grandezza.
• 11–12 anni: Fai compilare la tabella dell'esperimento 1 e calcolare l'ingrandimento (D/d), progettare una finestra propria lasciando ponti di almeno 4 mm e calcolare la corrente del LED con la legge di Ohm. Sfida: prevedere la grandezza dell'ombra su una parete a 2,5 m prima di misurarla.

In gruppo o in classe

Squadre di 2–3 bambini, una lanterna per squadra (≈ 1,50–2,50 € di componenti per lanterna). Prima della sessione: stampare le sagome, tagliare le bottiglie e fare le fossette, ritagliare le finestre per i più piccoli e provare ogni LED con la sua resistenza. Sessione di 90 min: 10 min di dimostrazione con una lanterna finita, 60 min di montaggio (mentre asciuga la colla dell'involucro si montano la base e il LED) e 20 min di «cinema delle ombre» con la classe al buio, accendendo le lanterne una alla volta. Tieni LED, resistenze e matite di scorta.

Sfide

• Progetta la tua metà di involucro: copia il contorno della sagoma A senza le finestre e disegna una scena nuova (un gatto nero su uno steccato, una strega sulla scopa) lasciando ogni figura unita alla cornice con ponti di 4 mm o più.
• Incolla del cellofan arancione all'interno della finestra della luna e del cellofan viola in quella della casa: la luna apparirà arancione sulla parete e la casa in una notte viola.
• Fai le stelle anche sul coperchio con il punteruolo (lontano dalla matita) per riempire il soffitto di puntini che girano.
• Fallo girare da solo: incolla 8 alette di cartoncino di 20 × 30 mm piegate sul bordo del coperchio e soffia di lato con un piccolo ventilatore. Con quante alette e con quale inclinazione gira più veloce?
• Costruisci un secondo involucro di Ø 140 mm (con 3 pannelli) e confronta: le ombre vengono più piccole o più grandi con la parete alla stessa distanza? Perché?

Altri progetti gratis

• Arcobaleno con un bicchiere e una fessura
• Disco rotante dei colori
• Microscopio a goccia
• Periscopio a specchi
• Piramide per ologrammi
• Proiettore di costellazioni
• Proiettore per cellulare con lente d'ingrandimento
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