Palloncino d'acqua a prova di fiamma

Cosa imparerà

• Che il calore passa dai corpi caldi a quelli freddi e che alcuni materiali (l'acqua) lo portano via molto bene.
• Che l'acqua ha bisogno di tantissima energia per scaldarsi (calore specifico 4,18 J/g·°C): per questo raffredda la gomma.
• Che l'aria conduce male il calore: la gomma con l'aria dietro si scalda in un attimo.
• Che la fuliggine è carbonio di una combustione incompleta, che compare quando la fiamma si raffredda.
• A misurare tempi e temperature e a confrontare i risultati in modo corretto (stessa altezza, stessa candela).

Prepara prima

• Fai l'esperimento vicino al lavello (o con una bacinella d'acqua accanto) e con il tavolo libero da fogli e strofinacci.
• Stampa il righello dell'altezza A su cartoncino e piegalo.
• Prepara prima i palloncini: uno gonfiato con aria fino a circa 20 cm di diametro e un altro con 150 ml d'acqua (e pochissima aria).
• Lega i capelli lunghi, togli sciarpe e maniche larghe.
• Tieni a portata di mano un bicchiere d'acqua e uno strofinaccio umido nel caso cada della cera o prenda fuoco qualcosa.

Materiali e attrezzi

• Palloncini di lattice — 4 (2 per la prova e 2 di ricambio) da comprare
  rotondi, dello stesso tipo e di colore chiaro (per vedere la fuliggine), di misura normale (25–30 cm al massimo); quello ad aria si gonfia solo fino a circa 20 cm
• Candela — 1 da comprare
  candela a colonna o da tavola di Ø 4–6 cm, che stia in piedi da sola
• Acqua del rubinetto — 150 ml per palloncino
  a temperatura ambiente (≈ 20 °C)
• Fiammiferi o accendino — 1
  fiammiferi lunghi da camino o accendino da cucina
• Piatto di ceramica — 1
  piano, per appoggiare la candela
• Bottiglia di plastica vuota — 1
  500 ml, per riempire il palloncino d'acqua
• Cartoncino — 1 striscia di 40 × 160 mm
  200 g/m² o più, per il righello dell'altezza
• Molletta da bucato di legno — 1
  per tenere il nodo del palloncino lontano dalle dita

Attrezzi

• Caraffa graduata — misurare 150 ml d'acqua
• Cronometro (cellulare) — misurare i secondi sopra la fiamma
• Termometro da cucina (facoltativo) — misurare la temperatura dell'acqua prima e dopo
• Forbici — ritagliare il righello dell'altezza e aprire il palloncino per misurare l'acqua

Pezzi e sagome

• A · Righello dell'altezza della fiamma ×1 — cartoncino 200 g/m²

Passo passo

1. Prepara la zona adulto

   Metti il piatto vicino al lavello, a 30 cm dal bordo del tavolo. Metti la candela al centro (incolla la base con 2 gocce di cera fusa se traballa) e lascia accanto un bicchiere d'acqua.

2. Gonfia il palloncino ad aria

   Gonfia il primo palloncino solo con aria fino a circa 20 cm di diametro (non al massimo) e fai un nodo. Aggancia una molletta da bucato al nodo per tenerlo.

3. Misura l'acqua

   Versa 150 ml d'acqua del rubinetto in una bottiglia vuota da 500 ml. Se hai un termometro, misura e annota la temperatura dell'acqua.

4. Riempi il palloncino d'acqua

   Tendi l'imboccatura del secondo palloncino sul collo della bottiglia. Capovolgi la bottiglia e schiacciala finché tutta l'acqua non passa nel palloncino. Sfila il palloncino, fai uscire l'aria rimasta e fai un nodo.

   Verifica: Il palloncino deve misurare circa 7 cm, essere quasi rotondo e senza una grossa bolla d'aria in alto.

5. Monta il righello dell'altezza

   Ritaglia il righello A, piega il piede e mettilo in piedi accanto alla candela, a 2 cm. Rialza il righello con del cartone finché la linea STOPPINO non è all'altezza dello stoppino.

6. Accendi la candela adulto

   L'adulto accende la candela con i fiammiferi lunghi. Aspetta 1 minuto che la fiamma si stabilizzi (circa 2–3 cm di altezza) e che non ci siano correnti d'aria.

7. Prova il palloncino ad aria adulto

   L'adulto tiene il palloncino ad aria per la molletta e lo abbassa piano finché la sua parte inferiore non è al segno PALLONCINO (25 mm sopra lo stoppino). Il bambino cronometra da quel momento fino allo scoppio.

   Verifica: Annota i secondi nella tabella.
   Trucco: Tappati le orecchie: lo scoppio è forte. Di solito scoppia in 1–3 secondi.

8. Prova il palloncino d'acqua adulto

   Ora abbassa il palloncino d'acqua fino allo stesso segno, con il nodo verso l'alto, così che la fiamma tocchi proprio dove c'è l'acqua. Tienilo fermo e cronometra 20 secondi; se te la senti, continua fino a 60 secondi.

   Verifica: Il palloncino non scoppia. Se dentro è rimasta molta aria, la fiamma scalda gomma che non ha acqua dietro e scoppia; non lasciare nemmeno che tocchi il collo o il nodo: tienilo verticale con il nodo in alto.

9. Osserva la fuliggine adulto

   L'adulto toglie il palloncino d'acqua e spegne la candela. Poi guarda la macchia nera sulla parte inferiore e strofinala con un dito: è fuliggine (carbonio), non una bruciatura. Va via con acqua e sapone.

10. Misura la temperatura dell'acqua

    Sopra il lavello, taglia il collo del palloncino con le forbici, versa l'acqua in un bicchiere e misurane la temperatura. Confrontala con quella che hai annotato all'inizio.

    Verifica: Dopo 60 s sopra la fiamma, l'acqua si è scaldata solo di 1–3 °C.

Funziona? La prova

Con la candela alla stessa altezza e il fondo del palloncino a 25 mm dallo stoppino, cronometra il palloncino ad aria e il palloncino con 150 ml d'acqua.

Cosa deve succedere: Il palloncino ad aria scoppia in 1–3 s. Il palloncino d'acqua resiste 60 s o più senza rompersi; esce con una macchia nera di fuliggine e l'acqua si è scaldata appena di 1–3 °C.

Se qualcosa non va

• Il palloncino d'acqua scoppia — È rimasta molta aria dentro (la fiamma scalda gomma senz'acqua dietro), la fiamma ha toccato il collo o il nodo, che non hanno acqua dietro, oppure il palloncino era difettoso. Soluzione: Fai uscire tutta l'aria prima di fare il nodo, tienilo verticale con il nodo in alto e verifica che la fiamma tocchi solo il fondo, dove c'è l'acqua.
• Il palloncino d'acqua si riempie di fuliggine molto in fretta — È infilato dentro la fiamma e la raffredda troppo. Soluzione: Alzalo un po': solo la punta della fiamma deve toccare il palloncino (segno dei 25–30 mm).
• Il palloncino ad aria ci mette molto a scoppiare — È troppo in alto, fuori dalla fiamma. Soluzione: Abbassalo finché la punta della fiamma non tocca la gomma.
• La fiamma si spegne quando avvicini il palloncino — Il palloncino schiaccia la fiamma o c'è una corrente d'aria. Soluzione: Non scendere sotto il segno dei 25 mm e chiudi le finestre.
• Non riesco a mettere l'acqua nel palloncino — L'imboccatura del palloncino è molto stretta: se versi l'acqua direttamente (dal rubinetto o da una caraffa), esce fuori. Soluzione: Usa il trucco della bottiglia: imboccatura del palloncino sul collo della bottiglia, bottiglia capovolta e schiacciare.

Sicurezza

• Fuoco: sempre con un adulto, sopra un piatto, lontano da tende, fogli e strofinacci, con un bicchiere d'acqua accanto. Capelli lunghi legati e niente maniche larghe.
• Il palloncino ad aria scoppia con un botto forte: tappati le orecchie e non avvicinare la faccia.
• Palloncini: rischio di soffocamento per i minori di 8 anni con palloncini sgonfi o pezzi rotti. Raccogli tutti i resti.
• Lattice: se qualcuno è allergico, usa palloncini senza lattice oppure fai in modo che non li tocchi.
• La cera calda brucia: non spostare la candela accesa e lasciala raffreddare 5 minuti prima di mettere in ordine.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La gomma del palloncino è sottilissima. Se dietro c'è solo aria, il calore della fiamma resta nella gomma, che si scalda tantissimo e si rompe: bum! Ma se dietro c'è acqua, l'acqua è come una spugna per il calore: porta via subito il calore dalla gomma e lo distribuisce in tutto il palloncino. Siccome l'acqua ha bisogno di tantissimo calore per scaldarsi, la gomma resta freschina e non si rompe. La macchia nera è fuliggine, cioè un pochino di candela che non è bruciata del tutto.

Per l'adulto

La fiamma di una candela ha sulla punta ≈ 1000–1400 °C e cede dell'ordine di 10–20 W all'oggetto che tocca. La parete di lattice (≈ 0,1–0,2 mm) ha pochissima massa: con l'aria dietro (conducibilità ≈ 0,026 W/m·K e convezione debole) il calore non può uscire, la gomma supera subito i ≈ 150–200 °C a cui il lattice teso perde resistenza e, poiché è in tensione, si strappa in 1–3 s. Con l'acqua dietro, il calore attraversa la parete sottile per conduzione e l'acqua lo distribuisce per convezione: l'acqua vicino alla gomma si scalda, sale e viene sostituita da acqua fredda. La parete resta limitata a poco più della temperatura dell'acqua (al massimo 100 °C, che il lattice sopporta). L'acqua ha un calore specifico molto alto, 4,18 J/g·°C: 150 g d'acqua che ricevono 15 W per 60 s (900 J) salgono solo di ≈ 1,4 °C. Per questo il palloncino resiste per minuti. La fuliggine compare perché la superficie fredda del palloncino raffredda la fiamma sotto la temperatura di combustione completa e il carbonio si deposita senza bruciare. È lo stesso principio del raffreddamento ad acqua dei motori o quello che permette di far bollire l'acqua in un bicchiere di carta.

• calore: energia che passa da un corpo caldo a uno più freddo.
• conduzione: passaggio del calore attraverso un materiale, da particella a particella.
• convezione: il liquido caldo sale e quello freddo scende, e così il calore si distribuisce.
• calore specifico: energia necessaria per scaldare di 1 °C 1 g di una sostanza; l'acqua ne richiede tantissima.
• fuliggine: polvere nera di carbonio lasciata da una combustione incompleta.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto tiene i palloncini e accende la candela. Il bambino aiuta a riempire il palloncino con la bottiglia, cronometra contando ad alta voce e strofina la fuliggine. Messaggio chiave: «l'acqua porta via il calore».
• 8–10 anni: Riempiono i palloncini, montano il righello dell'altezza, cronometrano e compilano la tabella. L'adulto tiene sopra la fiamma.
• 11–12 anni: Misurano le temperature con il termometro, calcolano l'energia assorbita (Q = m·c·ΔT) e la potenza della fiamma, e progettano l'esperimento sulla quantità d'acqua con 3 ripetizioni.

In gruppo o in classe

Come dimostrazione per tutta la classe (una sola candela sulla cattedra, alunni a 1,5 m) o in postazioni da 4 alunni con un adulto per postazione. Per postazione: 1 candela su un piatto, 4 palloncini, bottiglia con 150 ml d'acqua, righello dell'altezza, cronometro. 30 min: previsione per iscritto (5), prove (15), discussione comune (10).

Sfide

• Scalda l'acqua dentro un bicchiere di carta o una scatolina di carta sopra la candela senza che la carta bruci.
• Progetta uno «scudo termico» per il palloncino ad aria (carta stagnola, cartoncino...) e misura quanto tempo in più resiste.
• Scopri se un palloncino con olio al posto dell'acqua resiste allo stesso modo (l'olio ha metà del calore specifico). Solo con un adulto e sopra il lavello.
• Calcola quanti minuti servirebbero perché 150 ml d'acqua arrivino a bollire con una fiamma da 15 W.

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