Torcia a tubo con interruttore

Cosa imparerà

• Che un circuito ha bisogno di un percorso chiuso da un polo della pila all'altro, e che un interruttore è solo un pezzo di quel percorso che si apre e si chiude.
• Che il LED ha una polarità: il piedino lungo (anodo, +) deve andare al + della pila, altrimenti non si accende.
• Quali materiali sono conduttori (alluminio, graffette d'acciaio) e quali isolanti (nastro, cartone, carta).
• Che cos'è un cortocircuito e perché la carta stagnola può scaricare la pila in pochi minuti se tocca i due poli.
• Che un riflettore (cono lucido) concentra la luce in avanti.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % e verifica con il righello che il disco C misuri 42 mm.
• Misura il diametro interno del tuo tubo: se non è 42 mm, disegna il disco C con un compasso a quella misura (deve entrare giusto, senza gioco).
• Prova ogni LED con la pila prima della sessione (piedino lungo sulla faccia «+» della pila, piedino corto sull'altra): scarta quelli che non si accendono.
• Togli la plastica protettiva dalle pile nuove, se ce l'hanno, e tienile fuori dalla portata dei bambini sotto i 6 anni.
• Per i gruppi, pretaglia i dischi C e D e i coni R.

Materiali e attrezzi

• LED bianco — 1 (+1 di scorta) da comprare
  5 mm, alta luminosità, 3,0–3,3 V / 20 mA, piedini lunghi non tagliati (il lungo è il +)
• Pila a bottone — 1 da comprare
  CR2032 al litio, 3 V, 220 mAh, Ø 20 × 3,2 mm
• Tubo di cartone — 1
  di carta igienica, ≈ 100 mm di lunghezza e Ø 42–45 mm
• Graffette metalliche — 2
  normali da 32 mm, d'acciaio non plastificato (quelle colorate hanno la plastica: non conducono)
• Carta stagnola (alluminio) — 1 pezzo da 30 × 30 cm
  normale da cucina
• Nastro adesivo — ≈ 70 cm
  trasparente da 19 mm (isolante)
• Cartone ondulato — 1 pezzo da 10 × 5 cm
  3 mm, per la testa e il tappo posteriore
• Cartoncino — 1 pezzo da 8 × 8 cm
  160–200 g/m², per il cono riflettore
• Colla stick — 1
  per incollare l'alluminio sul cartoncino
• Carta per rivestire (facoltativa) — 1 striscia da 145 × 100 mm
  foglio A4 con la sagoma E stampata per decorare

Attrezzi

• Forbici — ritagliare sagome, cartoncino e alluminio
• Punteruolo o matita appuntita — fare il foro da 5 mm della testa e quello da 6 mm sul fianco del tubo adulto
• Taglierino e tappetino da taglio — ritagliare il disco di cartone ondulato adulto
• Righello — misurare le posizioni sul tubo e le strisce
• Pinze a becchi sottili (facoltative) — piegare i piedini del LED e aprire la graffetta leva

Pezzi e sagome

• C · Testa (regge il LED) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• R · Cono riflettore ×1 — cartoncino 160–200 g/m² rivestito di alluminio sulla faccia interna
• D · Tappo posteriore ×1 — cartone ondulato 3 mm
• E · Rivestimento decorativo e guida per i fori ×1 — carta 80 g/m²
• F · Strisce conduttrici di alluminio ×2 — carta stagnola piegata

Passo passo

1. Prova il LED

   Infila la pila CR2032 tra i due piedini del LED: il piedino lungo sulla faccia grande con il «+» inciso e il corto sull'altra faccia. Stringi con le dita: il LED deve accendersi.

   Verifica: Se non si accende, gira la pila. Se ancora non si accende, prova un altro LED.
   Trucco: Ricorda: piedino lungo = più (+). Se i piedini sono già tagliati, quello dal lato piatto della base del LED è il negativo.

2. Prepara la testa adulto

   Ritaglia il disco C (Ø 42 mm) e fora il centro con un punteruolo finché il foro non misura 5 mm. Infila il LED da dietro finché la base non fa battuta: la testa del LED resta davanti e i piedini dietro.

   Verifica: Il LED resta fermo e dritto senza colla.

3. Isola il bordo della pila adulto

   Avvolgi un giro di nastro adesivo intorno al bordo della pila (il bordo tondo), lasciando libere le due facce piatte. Il bordo fa parte del polo + e così la striscia del polo − non lo toccherà.

   Trucco: Taglia con le forbici il nastro che sporge, così non copre le facce.

4. Fissa il piedino lungo al +

   Prima piega il piedino corto del LED verso l'esterno, ad angolo retto 3 mm dietro la testa: se resta dritto, urterà la pila. Poi piega il piedino lungo ad angolo retto 5 mm dietro la testa, dal lato opposto, e appoggialo piatto sulla faccia «+» della pila. Fissalo con 2 pezzi di nastro a croce, premendo bene.

   Verifica: La pila resta appesa al piedino lungo, dietro la testa; il piedino corto punta dall'altra parte senza toccare la pila, e il LED ancora NON si accende.

5. Fai le strisce conduttrici

   Taglia due bande di alluminio da 30 × 120 mm e piega ognuna per il lungo tre volte fino ad avere una striscia larga circa 4 mm. Sono i pezzi F.

6. Collega la striscia A al polo −

   Appoggia 15 mm di una striscia F (striscia A) al centro della faccia «−» della pila e fissala con il nastro sopra. La striscia deve uscire dal lato della pila opposto al piedino corto del LED.

   Verifica: La striscia A tocca solo la faccia «−»: né il bordo nastrato né il piedino lungo.

7. Collega la striscia B al piedino corto

   Il piedino corto punta già verso l'esterno dal passaggio 4. Avvolgi stretti 10 mm dell'altra striscia F (striscia B) intorno alla sua punta e copri la giunzione con il nastro, in modo che non resti niente di metallico scoperto. Poi rivesti la striscia B: taglia nastro largo 1 cm (mezzo nastro) e piegalo per il lungo su B, su entrambe le facce, dal piedino corto fino a lasciare senza nastro solo gli ultimi 60 mm. Così A e B possono passare insieme dallo stesso foro senza fare contatto.

   Verifica: Tocca insieme la fine della striscia A e la punta senza nastro della striscia B: il LED deve accendersi. Lasciale: si spegne.

8. Fai il riflettore

   Incolla l'alluminio con la colla stick su un pezzo di cartoncino da 8 × 8 cm, lato lucido a vista. Incolla sull'altro lato la sagoma R e ritagliala. Arrotolala a cono con l'alluminio all'interno e fissa l'aletta di 10° con il nastro all'esterno.

   Verifica: Il cono misura 40 mm di bocca e la testa del LED (5 mm) entra nel foro piccolo da 8 mm.

9. Monta il riflettore sulla testa

   Metti il cono davanti alla testa con la testa del LED infilata nel foro piccolo. Fissalo al disco con 3 pezzetti di nastro. L'alluminio tocca solo la plastica del LED, mai i piedini, che sono dall'altra parte del disco.

10. Fora il tubo adulto

    Avvolgi la sagoma E sul tubo con il bordo «DAVANTI» a filo della bocca e incollala. Fora il cerchio segnato (a 40 mm dalla bocca) con il punteruolo e allargalo a 6 mm girando una matita.

11. Inserisci il modulo luce

    Fai passare le due strisce insieme da dentro attraverso il foro da 6 mm, dalla bocca del tubo (visto che B è rivestita di nastro, non importa se si sfiorano), e spingi la testa con il cono finché il disco resta a 28 mm dalla bocca e il cono è a filo con essa. Tira le strisce perché non restino lente.

    Verifica: La testa resta dritta e non balla, e il rivestimento di nastro di B sporge fuori dal foro. Se la testa è lenta, avvolgi un giro di nastro sul suo bordo.

12. Monta la graffetta contatto

    Porta la striscia B dal foro verso dietro lungo una linea 10 mm a destra dell'asse delle graffette. Il suo rivestimento di nastro deve arrivare fino a 70 mm dalla bocca (se è corto, aggiungi nastro fin lì): così resta isolata sotto la leva. Girala verso l'asse e tagliala a 90 mm: il tratto da 70 a 90 mm resta senza nastro. Mettici sopra la graffetta contatto (misura 32 mm), da 68 a 100 mm, e fissala con il nastro solo nella metà posteriore, da 85 a 100 mm.

    Verifica: Tra 68 e 85 mm la graffetta contatto resta scoperta, senza nastro sopra, e appoggiata sull'alluminio nudo di B.

13. Monta la graffetta leva

    Fissa la striscia A sull'asse delle graffette tra 45 e 55 mm dalla bocca. Mettici sopra la coda della seconda graffetta (da 45 a 77 mm) e fermala con due giri di nastro solo tra 45 e 55 mm. Piega la graffetta verso l'alto in modo che la punta resti 4–5 mm sopra la graffetta contatto.

    Verifica: Premendo la punta della graffetta leva, tocca il contatto e il LED si accende; lasciandola, la graffetta risale da sola e si spegne.

14. Chiudi con il tappo posteriore

    Ritaglia il tappo D (Ø 46 mm) e fissalo alla bocca posteriore con una cerniera di nastro da 3 cm da un lato e una linguetta di nastro piegato dall'altro, per poterlo aprire e cambiare la pila.

15. Prova al buio

    Spegni la luce e punta verso una parete a 1 m. Premi la graffetta: devi vedere un cerchio di luce di circa 30–40 cm. Misura il suo diametro con e senza il cono riflettore.

Funziona? La prova

In una stanza buia, punta la torcia verso una parete bianca a 1 m di distanza e premi la graffetta leva 10 volte di fila (accendi–spegni).

Cosa deve succedere: Il LED si accende a ogni pressione senza sfarfallare e si spegne quando lasci. Sulla parete compare una macchia di luce brillante di ≈ 30–40 cm. Con l'interruttore rilasciato, il LED deve essere completamente spento (se brilla debolmente, c'è un contatto a metà).

Se qualcosa non va

• Il LED non si accende quando premi — LED al contrario, graffetta plastificata o la striscia non fa contatto con la graffetta. Soluzione: Verifica prima la pila direttamente sui piedini (passaggio 1). Usa graffette senza plastica e assicurati che la striscia resti sotto la graffetta, schiacciata e senza nastro in mezzo.
• Il LED si accende debolmente senza premere o non si spegne — La striscia B ha perso il rivestimento di nastro e tocca la striscia A (passano insieme dal foro), oppure il piedino corto tocca la pila. Soluzione: Ripassa il rivestimento di nastro di B lungo tutto il percorso, dal piedino corto fino a 70 mm dalla bocca, e rivesti di nastro il piedino corto, che deve puntare verso l'esterno, lontano dalla pila.
• La pila si scalda o si scarica in pochi minuti — Cortocircuito: la striscia del polo − tocca il bordo della pila (polo +) o l'alluminio del riflettore tocca i piedini. Soluzione: Togli subito la pila. Rimetti il nastro sul bordo e verifica che il cono riflettore sia davanti al disco e non tocchi nessun metallo.
• Funziona a intermittenza — La striscia di alluminio si è stropicciata o rotta nel foro del tubo. Soluzione: Fai strisce più spesse (più pieghe) o usa nastro adesivo di alluminio; rinforza il passaggio nel foro con il nastro.
• La graffetta leva non risale — È piegata troppo o il nastro la tiene troppo vicino alla punta. Soluzione: Fissa solo i 10 mm della coda e ripiega la punta verso l'alto di 4–5 mm.
• La luce esce molto dispersa — Il LED è troppo infilato o troppo avanzato rispetto al cono. Soluzione: La testa del LED deve sporgere 3–5 mm dentro il cono, non di più.

Sicurezza

• Pile a bottone: se un bambino ne ingoia una, può ustionargli l'esofago in 2 ore. Tienile fuori dalla portata dei bambini sotto i 6 anni e, al minimo sospetto, vai subito al pronto soccorso.
• Non unire le due facce della pila con alluminio o con una graffetta: il cortocircuito la scalda e la scarica.
• Non fissare il LED da vicino e non puntarlo negli occhi di nessuno: i LED bianchi ad alta luminosità abbagliano.
• Il punteruolo lo usa un adulto, appoggiando il disco o il tubo su una gomma o su un pezzo di sughero.
• Le pile scariche vanno nel contenitore per le pile, non nella spazzatura.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La pila è come un serbatoio d'acqua in cima a una montagna: l'elettricità vuole scendere dal lato + al lato −, ma può passare solo lungo un percorso di metallo. Quel percorso passa per il LED, che si illumina quando l'elettricità lo attraversa. La graffetta è come un ponte levatoio: quando la premi, il ponte si abbassa e l'elettricità passa; quando la lasci, il ponte si alza e la luce si spegne. Il cono lucido è uno specchio che raccoglie la luce che scappava ai lati e la manda in avanti.

Per l'adulto

Una CR2032 (litio–biossido di manganese) dà 3,0–3,2 V a vuoto e ha una resistenza interna di ≈ 10–20 Ω. Un LED bianco (chip blu InGaN + fosforo giallo) inizia a condurre a ≈ 2,7–2,9 V e a 20 mA richiede ≈ 3,1–3,3 V; con la pila a bottone la corrente si autolimita a ≈ 10–20 mA per la resistenza interna, per questo non serve una resistenza (con 2 pile stilo AA, con resistenza interna molto bassa, invece serve: R = (V_pile − V_LED)/I; per un LED rosso, (3,0 − 2,0)/0,01 = 100 Ω; per uno bianco il margine è così piccolo che bastano 22 Ω come protezione). Il LED è un diodo: conduce solo dall'anodo (piedino lungo) al catodo. Con 220 mAh e ≈ 15 mA di media, l'autonomia è di ≈ 10–15 h, con luminosità decrescente perché la tensione cala. L'interruttore è un pulsante normalmente aperto: la graffetta d'acciaio, per la sua elasticità, torna in posizione aperta quando la lasci. L'alluminio (resistività 2,7·10⁻⁸ Ω·m) conduce molto bene; una striscia di 4 mm × 8 strati × 120 mm ha una resistenza trascurabile (< 0,05 Ω), ma è proprio questa conduttività a provocare cortocircuiti se non è isolata. Il cono riflettore rimanda in avanti la luce che il LED emette con angolo ampio (un LED da 5 mm emette in un cono di ≈ 20–30°, con un alone più largo), concentrando il fascio.

• circuito: percorso chiuso lungo cui viaggia l'elettricità da un polo della pila all'altro.
• interruttore: pezzo che apre o chiude il percorso della corrente.
• LED: diodo a emissione di luce: una lucina che funziona solo se la colleghi nel verso giusto.
• polarità: il lato + e il lato − di una pila o di un LED.
• cortocircuito: scorciatoia per cui la corrente torna alla pila senza passare dal LED; scarica e scalda la pila.
• riflettore: superficie lucida che fa rimbalzare la luce per dirigerla.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto fa il modulo luce (passaggi 2–7) e fora il tubo. Il bambino prova il LED con la pila (passaggio 1), fa il riflettore, monta le graffette e decora il rivestimento. Concentrati su «percorso chiuso = luce».
• 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi; l'adulto fora e controlla l'isolamento del bordo della pila prima di chiudere. Fagli fare il rilevatore di conduttori.
• 11–12 anni: Fagli disegnare lo schema elettrico con i simboli, misurare l'autonomia della pila con un grafico della luminosità e progettare una versione con 2 pile stilo AA e la sua resistenza calcolata.

In gruppo o in classe

A coppie, una torcia per bambino (≈ 1 € tra LED e pila). Prima: provare tutti i LED, pretagliare i dischi C e D e i coni R, e tagliare le bande di alluminio. 60 min: 10 min di dimostrazione con un circuito aperto e chiuso, 40 min di montaggio e 10 min di «stanza buia» per confrontare i fasci sulla parete. Distribuisci le pile una alla volta e raccogli quelle avanzate alla fine. Tieni 3–4 LED e pile di scorta.

Sfide

• Aggiungi una modalità «fissa»: un elastico che, fatto scorrere sulla graffetta leva, la tenga premuta.
• Costruisci una torcia a due colori con un interruttore per ogni LED.
• Fai una torcia per segnali e invia un messaggio in codice Morse dall'altra parte della stanza.
• Progetta un riflettore migliore (più lungo, con un altro angolo) e dimostra con la macchia sulla parete che concentra di più la luce.

Altri progetti gratis

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