Misuratore di vento a bicchieri

Cosa imparerà

• Che il vento spinge di più la parte cava di un bicchiere che quella arrotondata (coefficiente di resistenza ≈ 1,4 contro ≈ 0,4) e che questa differenza produce la rotazione.
• A trasformare i giri in velocità: giri → giri al secondo → distanza percorsa dal bicchiere → velocità del vento.
• Che cos'è la scala Beaufort e come si descrive il vento con i numeri invece che con le parole.
• Che ogni strumento fatto in casa va tarato confrontandolo con uno affidabile (una stazione meteorologica ufficiale).

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e verifica la scala di 50 mm.
• Taglia le strisce di cartone con taglierino e righello (le forbici schiacciano le onde).
• Verifica che la perlina passi nello spillo e che i 4 bicchieri pesino uguale (stesso modello).
• Cerca dove sistemarlo all'aperto: un punto libero, almeno 1 m più in alto di muri o ringhiere vicini, lontano dagli angoli che creano mulinelli.
• Se vuoi provarlo in casa, tieni pronto un asciugacapelli con aria FREDDA o un ventilatore.

Materiali e attrezzi

• Bicchieri piccoli — 4 uguali
  di carta o plastica sottile, 150–200 ml (bocca Ø 65–75 mm, alti 75–85 mm), il più leggeri possibile (≈ 3–4 g)
• Cartone ondulato — 2 strisce di 25 × 250 mm
  a onda singola, 3 mm, con le onde nel senso della lunghezza della striscia
• Cartoncino o cartoncino sottile — 1 pezzo di 60 × 60 mm
  delle scatole di cereali, per il disco guida
• Matita con gomma — 1
  nuova o lunga (≥ 15 cm), con la gomma intera in cima
• Spillo da sarta — 1 (+1 di scorta)
  dritto, con capocchia, lungo ≈ 25 mm (spillo corto da sarta): capocchia + 2 mm di gioco + 7 mm di croce + perlina di 4 mm + 10 mm nella gomma. Se hai solo spilli da 30–38 mm, infila 1–3 perline in più sotto la prima, così la punta entra solo 10 mm
• Perlina da collana — 1
  di plastica o vetro, 3–5 mm, con un foro in cui passi lo spillo
• Nastro adesivo — 1 m
  trasparente o da pacchi
• Spillatrice — 8 punti
  2 per bicchiere
• Pennarello rosso indelebile — 1
  per colorare tutto un bicchiere
• Colla vinilica o pistola per colla a caldo — un po'
  per incollare l'incrocio dei bracci
• Bottiglia da 1,5 l con sabbia o acqua — 1 (facoltativa)
  base per le prove sul tavolo; tappo con un foro di 7 mm

Attrezzi

• Forbici e righello — tagliare e segnare le strisce
• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare dritte le strisce di cartone ondulato adulto
• Cronometro (cellulare) — misurare 30 s
• Punteruolo o chiodo da 3 mm — forare il tappo della bottiglia base (facoltativo) adulto

Pezzi e sagome

• A · Braccio ×2 — cartone ondulato 3 mm
• B · Disco guida dell'incrocio ×1 — cartoncino o cartoncino sottile
• C · Foglio di registro dei giri (contatore) ×1 — carta
• D · Matita (asta) ×1 — matita con gomma

Passo passo

1. Taglia e segna i bracci adulto

   Taglia due strisce di cartone di 25 × 250 mm con le onde nel senso della lunghezza. Segna su ciascuna il centro (a 125 mm), la zona d'incrocio di 25 mm e una linea a 60 mm da ogni estremità (bordo del bicchiere), come nella sagoma A.

   Verifica: Tieni la striscia per un'estremità: non deve piegarsi sotto il suo peso.

2. Incolla la croce

   Metti un braccio sopra l'altro a formare una croce, con i centri uno sopra l'altro. Incollali con colla vinilica o colla a caldo nel quadrato di 25 × 25 mm dell'incrocio e, sopra, incolla il disco guida B con le sue linee allineate ai bordi dei bracci.

   Verifica: Misura con il righello: le 4 estremità devono stare a 125 mm dal centro e formare angoli retti.

3. Fai il foro dell'asse adulto

   Trafiggi la croce con lo spillo nel foro del disco guida, ben verticale. Toglilo e rimettilo facendo piccoli cerchi finché il foro misura ≈ 1,2 mm e lo spillo gira libero dentro.

   Trucco: Se il foro viene troppo grande e la croce balla molto, incollaci sopra un quadratino di cartoncino e buca di nuovo.

4. Colora il bicchiere rosso

   Colora tutto l'esterno di uno dei bicchieri con il pennarello rosso, oppure avvolgilo con nastro rosso. Sarà il tuo bicchiere di riferimento per contare i giri.

5. Sistema il primo bicchiere

   Corica un bicchiere sul tavolo. Appoggiaci sopra l'estremità di un braccio, perpendicolare all'asse del bicchiere, in modo che il braccio copra il bicchiere dalla linea dei 60 mm fino all'estremità e stia a metà della sua altezza. Fissalo con 2 punti metallici e dai un giro di nastro intorno a bicchiere e braccio.

   Verifica: La bocca del bicchiere deve guardare verso un lato del braccio, non verso il centro né verso l'esterno.

6. Sistema gli altri tre bicchieri nello stesso verso

   Fissa gli altri tre bicchieri allo stesso modo. Guardando la croce dall'alto, tutte le bocche devono guardare nello stesso verso di rotazione (per esempio, tutte «all'inseguimento» della successiva in senso orario).

   Verifica: Gira la croce con la mano: tutti i bicchieri devono avanzare con il fondo davanti; mai due bocche una di fronte all'altra.

7. Prepara il perno

   Fai passare lo spillo di ≈ 25 mm nel foro della croce dall'alto e poi infila la perlina sotto la croce. Devono restare 2 mm di gioco tra la capocchia dello spillo e la croce, e circa 10 mm di punta che sporgono sotto la perlina.

8. Pianta lo spillo nella gomma adulto

   Pianta la punta dello spillo al centro della gomma della matita per circa 10 mm, ben verticale, finché la perlina tocca la gomma (con uno spillo più lungo aggiungi perline: non piantarlo mai più di 12 mm, perché urterebbe la ghiera metallica). La perlina resta appoggiata sulla gomma e la croce appoggiata sulla perlina.

   Verifica: Guarda di fronte: la croce deve restare orizzontale. Se si inclina, raddrizza lo spillo.

9. Prova del soffio

   Tieni la matita verticale e soffia forte verso un bicchiere da 20 cm, oppure usa un asciugacapelli ad aria fredda a 50 cm. La croce deve partire da sola e fare vari giri per inerzia quando smetti di soffiare.

   Verifica: Se si ferma di colpo, lo spillo striscia: allarga il foro o cambia la perlina.

10. Sistemalo all'aperto adulto

    Lega la matita verticale a un manico di scopa o a una ringhiera con 3 giri di nastro in alto e 3 in basso, lasciando la croce almeno 20 cm più in alto del bordo. Cerca un posto libero, lontano da pareti che riparino dal vento.

    Trucco: Per le prove sul tavolo, infila la matita in un foro di 7 mm nel tappo di una bottiglia da 1,5 l piena di sabbia o acqua.

11. Conta i giri

    Imposta il cronometro su 30 s e conta ad alta voce ogni volta che il bicchiere rosso ti passa davanti. Se gira troppo veloce per contare, conta 10 s e moltiplica per 3.

    Trucco: Uno conta e un altro dice «via!» e «stop!».

12. Converti in km/h

    Dividi i giri in 30 s per 5 per ottenere la velocità approssimativa del vento in km/h (esempio: 45 giri → 9 km/h, Beaufort 2, «brezza leggera»). Cerca il risultato nella tabella C e annotalo con data e ora.

13. Tara con una stazione ufficiale

    Fai 5 misurazioni in giorni diversi e confronta ognuna con il vento indicato dalla stazione meteorologica più vicina sul sito o sull'app meteo ufficiale a quell'ora. Dividi la velocità ufficiale per i tuoi giri in 30 s e fai la media: è il TUO numero per convertire.

    Trucco: Le stazioni misurano a 10 m di altezza: vicino al suolo il vento di solito è più debole del 20–40 %.

Funziona? La prova

Con un asciugacapelli ad aria fredda e velocità bassa a 1 m di distanza, conta i giri in 30 s. Poi, all'aperto, conta 3 volte di fila e fai la media.

Cosa deve succedere: Parte da solo con vento di 4–6 km/h (si muovono le foglie degli alberi). Con vento debole di 10 km/h fa circa 50 giri in 30 s (quasi 2 al secondo); con 20 km/h, circa 100. Quando smetti di soffiare continua a girare 2–4 s per inerzia.

Se qualcosa non va

• Non gira o si ferma subito — Lo spillo striscia nel foro della croce o la croce tocca la gomma. Soluzione: Allarga il foro facendo cerchi con lo spillo e metti la perlina tra la croce e la gomma.
• La croce si inclina e un bicchiere sfrega contro la matita — Spillo storto o bicchieri di peso diverso. Soluzione: Raddrizza lo spillo; usa 4 bicchieri dello stesso modello e la stessa quantità di nastro su ciascuno.
• Gira un po' da una parte e torna indietro — Qualche bicchiere guarda nel verso opposto. Soluzione: Verifica dall'alto che tutte le bocche seguano lo stesso verso di rotazione.
• Con vento forte i bicchieri si staccano — Solo nastro, o nastro che ha preso umidità. Soluzione: Aggiungi 2 punti metallici per bicchiere e ritira l'anemometro con venti oltre i 30 km/h.
• I bracci si piegano verso il basso — Onde del cartone nella direzione sbagliata o cartone umido. Soluzione: Taglia le strisce con le onde nel senso della lunghezza o usa bastoncini da gelato doppi.
• Le mie misure non coincidono con l'app del meteo — L'app dà il vento a 10 m di altezza e in un luogo libero; il tuo anemometro misura vicino al suolo. Soluzione: È normale: tara il tuo fattore (passaggio 13) e misura sempre nello stesso posto.

Sicurezza

• Lo spillo punge: lo pianta l'adulto e, quando non si usa, proteggi la punta con un pezzetto di gomma o sughero. Non adatto ai minori di 3 anni (pezzi piccoli e perlina).
• Per sistemarlo su una ringhiera o una finestra ci pensa un adulto: il bambino non si sporge né sale su sedie vicino alle ringhiere.
• Con l'asciugacapelli usa sempre aria fredda e tieni l'apparecchio lontano dall'acqua.
• Non portarlo fuori durante un temporale né con vento forte: i bicchieri possono volare via.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Un bicchiere coricato è come un paracadute da una parte e come una palla dall'altra. Quando il vento soffia dentro la bocca, il bicchiere si riempie d'aria e riceve una spinta forte. Quando il vento sbatte contro il fondo arrotondato, l'aria scivola ai lati e spinge pochissimo. Siccome sulla croce c'è sempre un bicchiere con la bocca verso il vento e un altro di spalle, vince il lato del bicchiere «paracadute» e la croce gira. Più forte soffia il vento, più veloce gira.

Per l'adulto

La forza di resistenza su ogni coppa è F = ½·ρ·v²·A·Cd. Il coefficiente di resistenza di una semisfera o di un bicchiere è ≈ 1,4 sulla faccia concava e ≈ 0,4 su quella convessa: la differenza crea una coppia netta e il rotore accelera finché, a regime, la coppa si muove a una frazione fissa della velocità del vento (≈ 1/3 nell'anemometro di Robinson, 1846). Così la velocità angolare è proporzionale a quella del vento: v_vento ≈ K·2π·R·n, con R il raggio al centro della coppa e K il «fattore dell'anemometro» (≈ 2,5–3,5 nei modelli fatti in casa; include l'attrito). Qui R = 95 mm → ogni giro percorre 0,60 m; con K ≈ 3, v (km/h) ≈ 0,22 × giri in 30 s ≈ giri/5. L'attrito del perno introduce una soglia di avvio (≈ 4–6 km/h) e fa sì che con venti deboli lo strumento legga meno del reale; per questo si tara rispetto a un riferimento. Il vento misurato vicino al suolo è minore di quello delle stazioni (a 10 m) a causa dello strato limite. La scala Beaufort (1805) classifica il vento da 0 (calma, < 1 km/h) a 12 (uragano, > 118 km/h).

• anemometro: strumento che misura la velocità del vento.
• rivoluzione: un giro completo di qualcosa che ruota.
• resistenza aerodinamica: forza con cui l'aria (o l'acqua) spinge un oggetto.
• scala Beaufort: tabella da 0 a 12 che descrive il vento in base ai suoi effetti (foglie, rami, onde).
• tarare: confrontare il tuo strumento con uno affidabile per correggere i suoi numeri.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia le strisce, monta il perno e pianta lo spillo. Il bambino colora il bicchiere rosso, attacca i bicchieri con il nastro (l'adulto controlla il verso) e conta i giri in 10 s. Usa parole: «poco vento / tanto vento».
• 8–10 anni: Fanno tutto tranne usare il taglierino e sistemare l'anemometro all'aperto. Contano 30 s, dividono per 5 e usano la tabella Beaufort.
• 11–12 anni: Fagli calcolare il fattore di conversione a partire dal raggio (2πR) e confrontarlo con la loro taratura rispetto alla stazione ufficiale. Sfida: costruire un contagiri con una linguetta che colpisca un foglio, oppure con un magnete e un sensore del cellulare.

In gruppo o in classe

A coppie, un anemometro per coppia (8 strisce di cartone pretagliate e 4 bicchieri uguali per squadra, spilli e perline distribuiti dall'adulto). Sessione di 50 min: 10 min di spiegazione con un bicchiere e un asciugacapelli (quale lato spinge di più?), 25 min di montaggio, 15 min di prova in cortile. Organizza postazioni di misura (porta, centro del cortile, vicino al muro) e fai misurare ogni coppia in tutte; mettete in comune i dati in una tabella alla lavagna.

Sfide

• Fai un anemometro con 3 bicchieri e confrontalo con quello da 4: parte prima? Gira in modo più regolare?
• Aggiungi una banderuola di cartone su un'altra matita per sapere anche da dove viene il vento.
• Costruisci un contatore: una striscia di carta sulla matita che il bicchiere rosso tocca a ogni giro; registra il suono con il cellulare per contare i «clic».
• Migliora il perno con un cuscinetto a biglia dentro un tappo e misura di quanto si abbassa la velocità di avvio.

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• Forno solare in una scatola
• Meridiana equatoriale
• Orologio ad acqua con due bottiglie
• Termometro ad acqua colorata

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