Spirale che gira con il calore

Cosa imparerà

• Che l'aria calda è meno densa di quella fredda e sale, formando una corrente (convezione).
• Che una superficie inclinata (ogni tratto della spirale è come la pala di una girandola) trasforma una corrente che sale in una rotazione.
• Che il senso di rotazione dipende da quale lato è avvolta la spirale.
• Che la temperatura cala molto in fretta allontanandosi dalla fiamma, e perché esiste una distanza di sicurezza misurabile.
• A misurare una velocità di rotazione in giri al minuto e a confrontare le variabili una alla volta.

Prepara prima

• Stampa la sagoma al 100 % direttamente sul cartoncino sottile e verifica con il righello che il disco misuri 160 mm.
• Trova il posto: una stanza senza correnti d'aria, lontano dalle tende, con due sedie dallo schienale alto e uno sgabello basso o una scatola robusta alta circa 40 cm per la candela.
• Accorcia lo stoppino della candela a 5 mm (meno fumo e fiamma più stabile).
• Tieni a portata di mano un bicchiere d'acqua e togli carte e tessuti nel raggio di 1 m intorno alla candela.
• Se i bambini sono piccoli o non è permesso usare candele, prepara un termosifone o una lampada a incandescenza come fonte di calore.

Materiali e attrezzi

• Cartoncino sottile — 1 foglio A4
  120–180 g/m², che passi nella stampante; di colore chiaro per decorarlo
• Candela — 1 da comprare
  lumino (tealight) o candela da tavola di Ø 2–2,5 cm in un candeliere stabile; stoppino accorciato a 5 mm
• Piatto di ceramica o di vetro — 1
  Ø ≥ 15 cm, sotto la candela (raccoglie la cera e non brucia)
• Filo da cucito — 60 cm
  di cotone o poliestere, sottile
• Perlina — 1
  Ø 5–8 mm, di plastica o legno, con foro di ≈ 1–1,5 mm
• Manico di scopa o listello — 1
  lungo ≥ 70 cm
• Pennarelli o matite colorate — a piacere
  per occhi e squame; non usare tempere (bagnano e gonfiano il cartoncino)
• Bicchiere d'acqua — 1
  vicino alla candela, per sicurezza

Attrezzi

• Forbici a punta arrotondata — ritagliare il disco e la spirale
• Ago da cucito — forare il centro e far passare il filo
• Righello o metro a nastro — misurare la distanza fiamma–coda (20–25 cm)
• Accendino lungo da cucina o fiammiferi — accendere la candela adulto
• Cronometro (cellulare) — contare i giri al minuto

Pezzi e sagome

• A · Serpente a spirale (passo 16 mm) ×1 — cartoncino 120–180 g
• B · Spirale sottile per il confronto (passo 10 mm) ×1 — cartoncino 120–180 g
• C · Filo per appendere ×1 — filo da cucito

Passo passo

1. Stampa e verifica

   Stampa la sagoma A al 100 % su cartoncino sottile da 120–180 g. Misura il disco con il righello: deve avere un diametro di 160 mm. Se misura meno, la stampante ha ridotto la scala.

   Verifica: Diametro 160 mm ± 2 mm.

2. Ritaglia il disco

   Ritaglia il cerchio di 160 mm seguendo il bordo esterno. Gira il foglio, non le forbici, così la curva viene rotonda.

3. Decora in piano

   Prima di tagliare la spirale, decora entrambe le facce con i pennarelli: occhi e lingua al centro (la testa) e squame lungo la striscia. In piano è molto più facile che con la spirale già tagliata.

   Trucco: Niente tempere né colla con i brillantini: bagnano, gonfiano e aggiungono peso.

4. Taglia la spirale

   Taglia lungo la linea spessa a spirale partendo dal bordo esterno e avanzando verso l'interno, senza uscire dalla linea. Fermati quando arrivi al centro: la testa di Ø 20 mm non si taglia.

   Verifica: Sollevando la testa con due dita, il serpente pende a elica senza pezzi staccati né tagli che arrivino alla testa.

5. Fora il centro

   Buca il punto centrale con l'ago da cucito e ruotalo un po' per allargare il foro a 1,5–2 mm. Deve restare largo: il filo deve passare senza strusciare.

6. Monta il perno con la perlina

   Infila i 60 cm di filo nell'ago. Fallo passare nel foro della testa dalla faccia di sopra verso il basso, infila la perlina da sotto e fai un nodo doppio sotto la perlina. Togli l'ago.

   Verifica: Tieni il filo: la spirale pende appoggiata alla perlina e, se la fai girare con il dito, gira senza che il filo si attorcigli.

7. Prova a freddo

   Appendi il serpente al filo tenendolo in mano e soffia delicatamente dal basso, da 20 cm, oppure metti sotto un asciugacapelli ad aria fredda a 40 cm. Deve cominciare a girare in 1–2 secondi.

   Trucco: Se gira poco, verifica che nessun giro della spirale strusci contro un altro.

8. Monta il supporto

   Metti due sedie schiena contro schiena, a 50–60 cm di distanza, e appoggia il manico di scopa sui due schienali. Lega il filo al centro del bastone con due nodi.

   Verifica: Il bastone non si muove se dai un colpetto a una sedia.

9. Metti la candela sotto adulto

   Metti la candela sul piatto di ceramica e il piatto su uno sgabello basso o una scatola robusta alta circa 40 cm, esattamente sotto la perlina: usa il filo come filo a piombo per centrarla.

10. Regola l'altezza adulto

    Con la candela ancora spenta, misura dallo stoppino verso l'alto: la coda del serpente deve restare a 23–28 cm dallo stoppino (la fiamma è alta circa 3 cm, così restano 20–25 cm fino alla punta della fiamma). Allunga o accorcia il filo finché ci riesci. Se con il filo già molto corto la coda resta a meno di 23 cm dallo stoppino, abbassa la candela: sostituisci lo sgabello con una scatola più bassa.

    Verifica: Mai meno di 20 cm tra la punta della fiamma e la parte più bassa della spirale.
    Trucco: Con schienali di circa 95 cm e uno sgabello di 40 cm l'altezza avanza e basta allungare il filo; con sedie dallo schienale basso (≈ 80 cm) di solito serve un appoggio più basso per la candela.

11. Chiudi e accendi adulto

    Chiudi porte e finestre e chiedi a tutti di non passare vicino. L'adulto accende la candela e tutti restano fermi a 1 m. In 10–30 secondi il serpente comincia a girare da solo.

12. Conta i giri

    Scegli un occhio della testa come riferimento e conta quanti giri fa in 1 minuto con il cronometro. Ripeti 3 volte e annota la media.

13. Spegni e metti via adulto

    L'adulto spegne la candela coprendola o soffiando di lato (non verso la spirale). Aspetta 5 minuti che la cera si raffreddi prima di spostare il piatto e di toccare il serpente.

Funziona? La prova

Con la candela accesa e la coda a 20–25 cm dalla punta della fiamma, in una stanza senza correnti d'aria, conta i giri per 1 minuto.

Cosa deve succedere: Il serpente comincia a girare in meno di 30 s e mantiene una rotazione continua di circa 10–40 giri al minuto, sempre nello stesso senso. Quando spegni la candela si ferma in circa 20–60 s. Il cartoncino non si scurisce né si ondula.

Se qualcosa non va

• Non gira oppure oscilla da una parte all'altra — Ci sono correnti d'aria che deviano la colonna calda, oppure la candela non è esattamente sotto. Soluzione: Chiudi porte e finestre, allontanatevi di 1 m e ricentra la candela usando il filo come filo a piombo (con la candela spenta).
• Fa 2–3 giri, si ferma e torna indietro — Il filo è legato alla carta e si attorciglia come una molla. Soluzione: Monta il perno con la perlina e il foro largo, oppure metti una girella da pesca tra il filo e la spirale.
• Gira molto piano — È troppo in alto, la carta è pesante o i giri si toccano tra loro. Soluzione: Abbassala fino a 20 cm (mai meno), usa cartoncino da 120 g (il foglio A4 gira con meno calore, ma oscilla di più) e separa con il dito i giri che si toccano.
• Il cartoncino si ondula, si scurisce o sa di bruciato — È troppo vicino alla fiamma. Soluzione: Spegni la candela e alza il serpente finché la coda resta almeno a 20–25 cm dalla punta della fiamma.
• C'è fumo nero e la fiamma tremola — Stoppino troppo lungo o correnti d'aria. Soluzione: Spegni, lascia raffreddare e accorcia lo stoppino a 5 mm. Una fiamma tranquilla dà una colonna d'aria più stabile.
• Gira al contrario rispetto a quella di un compagno — Non è un errore: la spirale è appesa con l'altra faccia verso l'alto, e l'elica è avvolta dall'altro lato. Soluzione: Capovolgi la spirale (fai passare il filo dall'altra faccia) e girerà nel senso opposto.

Sicurezza

• La candela la accende, la sorveglia e la spegne sempre un adulto. Non si lascia mai sola, nemmeno per un minuto.
• Distanza minima di 20 cm tra la punta della fiamma e la parte più bassa della spirale: a 10 cm l'aria è a circa 200 °C e il cartoncino può prendere fuoco.
• Capelli lunghi raccolti, maniche larghe arrotolate e nessuno chinato sopra la candela.
• Candela su un piatto di ceramica, su una superficie stabile e a più di 1 m da tende, carte e tessuti. Tieni accanto un bicchiere d'acqua.
• Non toccare il serpente né spostare il piatto con la candela accesa; aspetta 5 minuti dopo averla spenta (la cera scotta).
• Con bambini di 5–7 anni o in classe, usa un termosifone o una lampada a incandescenza: l'effetto è lo stesso e non c'è fiamma.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

L'aria calda è come un palloncino invisibile: pesa meno dell'aria fredda intorno e per questo sale. Sopra la candela si forma un getto d'aria calda che va verso l'alto, come un ascensore. Quando quell'aria urta la spirale, spinge ogni giro, che è inclinato come la pala di una girandola, e la fa girare. Se togli la candela, l'ascensore si ferma e anche il serpente.

Per l'adulto

La fiamma scalda l'aria intorno a sé; l'aria calda si dilata (a pressione costante la sua densità è inversamente proporzionale alla temperatura assoluta: a 80 °C è ≈ 17 % meno densa che a 20 °C) e riceve una spinta netta verso l'alto. Si forma un pennacchio termico che sale a qualche decina di cm/s e che, salendo, trascina aria dall'ambiente, si allarga e si raffredda rapidamente (in un pennacchio puntiforme l'eccesso di temperatura cala circa come z^(−5/3)): ≈ 200 °C a 10 cm e ≈ 70–90 °C a 20 cm da una candela di ≈ 50–80 W. L'aria che sostituisce il pennacchio entra dai lati all'altezza della fiamma (convezione). La spirale allungata è un'elica: ogni tratto forma un angolo con la verticale, quindi il flusso ascendente viene deviato passando e la reazione sul cartoncino ha una componente tangenziale che produce una coppia, proprio come in una girandola o nelle pale di una turbina. La coppia è piccola (dell'ordine del micronewton·metro), per cui l'attrito del perno è decisivo: un filo legato alla carta accumula torsione e ferma la rotazione; un foro largo su una perlina non oppone quasi resistenza. Il senso di rotazione lo stabilisce la chiralità dell'elica: appendere il disco con l'altra faccia verso l'alto la inverte. Un passo maggiore (striscia più larga) dà più superficie inclinata ma meno giri; con un foglio da 80 g (≈ 1,6 g di disco) parte prima che con il cartoncino da 180 g (≈ 3,6 g).

• convezione: movimento dell'aria o dell'acqua in cui la parte calda sale e quella fredda scende, portando il calore da un posto all'altro.
• densità: quanta massa c'è in ogni pezzetto di volume; l'aria calda ne ha meno e per questo galleggia su quella fredda.
• elica: forma a molla o a scivolo a spirale che prende il serpente quando lo appendi.
• perno: punto su cui qualcosa gira con pochissimo attrito.
• turbina: ruota con pale inclinate che gira quando la attraversa un gas o un liquido in movimento.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto ritaglia la spirale (o la ritaglia il bambino con forbici a punta arrotondata seguendo una linea spessa) e fa tutto ciò che riguarda la candela. Meglio usare un termosifone o un asciugacapelli ad aria fredda così il bambino può avvicinarsi. Concentrarsi su «l'aria calda sale».
• 8–10 anni: Fanno tutto tranne accendere e spegnere la candela. Lascia che misurino loro la distanza di sicurezza con il righello e contino i giri al minuto.
• 11–12 anni: Che progettino la propria spirale (passo, diametro, numero di giri), confrontino due variabili con tre misure ciascuna e spieghino il senso di rotazione con l'idea di elica. Possono calcolare quanto è meno densa l'aria a 80 °C rispetto a 20 °C (rapporto tra le temperature assolute: 293/353).

In gruppo o in classe

Ogni bambino fa il proprio serpente (25 min con le sagome stampate su cartoncino). Per la prova, niente candele per squadra: 3 postazioni sorvegliate ciascuna da un adulto (termosifone, lampada a incandescenza da 60 W rivolta verso l'alto e, se la scuola lo permette, un'unica candela dell'insegnante con il supporto a manico di scopa e la distanza già misurata). Le squadre da 3–4 ruotano ogni 5 min, contano i giri al minuto e li scrivono alla lavagna. Totale ≈ 60 min. Tieni 5 perline e filo in più.

Sfide

• Disegna con il compasso un serpente più piccolo, in un disco di Ø 120 mm, e confronta la sua velocità con quella del 160 mm.
• Costruisci una giostra: un disco di cartoncino con 6 alette inclinate di 30°, appoggiato sulla punta di una matita, sopra un termosifone.
• Metti due serpenti (uno normale e uno appeso al contrario) sopra lo stesso termosifone: girano in sensi opposti?
• Progetta un mobile con tre serpenti ad altezze diverse sopra un termosifone e scopri quale gira più veloce.
• Inventa un modo per misurare i giri senza contarli tu (per esempio, filmando con il cellulare e contando al rallentatore).

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