Una nuvola dentro un barattolo

Cosa imparerà

• Che l'aria calda può contenere molto vapore acqueo invisibile e che, raffreddandosi, quel vapore si trasforma in goccioline (condensazione).
• Che le nuvole hanno bisogno di nuclei di condensazione (polvere, fumo, sale): senza di essi il vapore non forma gocce anche se fa freddo.
• Che l'aria calda sale e quella fredda scende (convezione), e che questo fa girare la nuvola dentro il barattolo.
• A confrontare un esperimento con il suo controllo (con fumo e senza fumo) cambiando una sola cosa.
• A cronometrare e registrare quanto ci mette la nuvola a formarsi a seconda della quantità di ghiaccio o della temperatura dell'acqua.

Prepara prima

• Stampa i pezzi A (sfondo nero) e B (scala del livello) al 100 %, oppure disegna la scala con il righello.
• Lava il barattolo e togli l'etichetta: il vetro deve essere pulito e asciutto all'esterno per vedere bene.
• Tieni pronto il ghiaccio in una ciotola e il piatto con l'acqua per i fiammiferi prima di cominciare.
• Lavora su un tavolo stabile, lontano da tende e fogli sparsi, con la stanza un po' in penombra.
• Fai una prova tu prima della sessione per adattare acqua e ghiaccio al tuo barattolo.

Materiali e attrezzi

• Barattolo di vetro con coperchio di metallo — 1
  da conserva, 0,75–1 litro, vetro spesso, bocca larga (≥ 7 cm) e coperchio a vite di metallo
• Acqua calda — 200–220 ml
  a 70–80 °C (bollitore spento da 1 minuto); la quantità giusta per arrivare a 3 cm di altezza nel tuo barattolo
• Cubetti di ghiaccio — 6–8
  appena tirati fuori dal congelatore
• Sale da cucina — 1 cucchiaino (5 g)
  si versa sul ghiaccio per raffreddarlo di più
• Fiammiferi — 3–4
  di legno, per produrre il fumo (li usa un adulto)
• Cartoncino nero — 1 foglio A4
  per lo sfondo (pezzo A)
• Torcia — 1
  va bene quella del cellulare
• Nastro adesivo — 2 pezzi
  per attaccare la scala del livello (pezzo B) al barattolo

Attrezzi

• Bollitore o pentolino — scaldare l'acqua adulto
• Caraffa graduata — misurare circa 210 ml d'acqua
• Strofinaccio — tenere il barattolo caldo mentre lo agiti adulto
• Piatto o bicchiere con acqua — spegnere e lasciare i fiammiferi usati adulto
• Cronometro (cellulare) — misurare quanto ci mette la nuvola

Pezzi e sagome

• A · Sfondo nero pieghevole ×1 — cartoncino nero
• B · Scala del livello dell'acqua ×1 — carta

Passo passo

1. Prepara la scena

   Ritaglia e piega lo sfondo nero A e mettilo in piedi sul tavolo. Attacca la scala B all'esterno del barattolo con il nastro, con la linea «fondo» all'altezza del fondo interno. Tieni a portata di mano il ghiaccio, il sale e il piatto con l'acqua per i fiammiferi.

   Verifica: Il barattolo davanti allo sfondo nero si vede scuro e senza riflessi della finestra.

2. Intiepidisci il barattolo adulto

   Riempi il barattolo a metà con acqua calda del rubinetto e lasciala 1 minuto. Buttala. Così il vetro si scalda poco a poco e non si creperà con l'acqua più calda.

   Trucco: Prendi il barattolo con uno strofinaccio: il vetro diventa caldo subito.

3. Versa l'acqua calda adulto

   Scalda l'acqua nel bollitore e aspetta 1 minuto dopo che si è spento (70–80 °C). Misura 210 ml con la caraffa e versali nel barattolo fino al segno dei 3 cm della scala (in un barattolo di Ø 9,5 cm sono circa 210 ml; se non ci arriva o lo supera, aggiungi o togli acqua fino al segno).

   Verifica: Dal barattolo deve uscire vapore: è segno che ce n'è molto.

4. Scalda le pareti adulto

   Appoggia sopra il coperchio senza avvitarlo e fai ruotare il barattolo piano in cerchio 3–4 volte, con lo strofinaccio, perché l'acqua bagni le pareti fino a circa 8 cm di altezza. Le pareti calde non rubano vapore prima del tempo.

5. Prepara il coperchio di ghiaccio

   Capovolgi il coperchio (la parte interna rivolta verso l'alto) e riempilo con 6–8 cubetti. Versaci sopra un cucchiaino di sale e un cucchiaio di acqua fredda perché il ghiaccio tocchi bene tutto il metallo.

   Trucco: Se il coperchio è piccolo, metti i cubetti in un sacchetto di plastica sottile appoggiato sul coperchio.

6. Metti il ghiaccio sopra

   Appoggia il coperchio con il ghiaccio sulla bocca del barattolo (non serve avvitarlo) e aspetta 30 secondi con il cronometro. L'aria in alto comincia a raffreddarsi.

   Verifica: Dopo qualche secondo il coperchio si appanna sotto e forse vedi un velo molto tenue.

7. Metti dentro il fumo adulto

   L'adulto accende un fiammifero, lo lascia bruciare 2 secondi e lo spegne soffiando. Solleva il coperchio solo di 2–3 cm da un lato, infila dentro il fiammifero fumante per 2–3 secondi, lo tira fuori e richiude all'istante.

   Trucco: Senza fuoco: uno spruzzo brevissimo (mezzo secondo) di lacca per capelli dentro il barattolo fa lo stesso lavoro.

8. Osserva la nuvola

   Spegni la luce della stanza e illumina il barattolo con la torcia da un lato (non di fronte). In 15–60 secondi vedrai una nebbia bianca che gira e si infittisce sotto il coperchio. Cronometra quanto ci mette a comparire.

   Verifica: Si vede una nuvola bianca ben definita contro lo sfondo nero, con movimenti a vortice.

9. Lascia uscire la nuvola

   Sposta di lato il coperchio con il ghiaccio e guarda come la nuvola esce piano dal barattolo e si dissolve nell'aria della stanza in pochi secondi.

   Trucco: Se soffi piano sopra, la nuvola si muove come quelle vere con il vento.

10. Ripeti e confronta

    Richiudi con il ghiaccio (aggiungi 2–3 cubetti se si sono sciolti) e ripeti, stavolta SENZA fumo. Confronta: senza nuclei si forma solo un velo debole o niente. Per ripetere con il fumo, riscalda l'acqua se è scesa sotto i 50 °C.

    Verifica: Hai annotato il tempo con il fumo e senza fumo.

11. Metti in ordine

    Lascia raffreddare l'acqua 10 minuti e buttala nel lavandino. Butta i fiammiferi bagnati nella spazzatura, asciuga il coperchio perché non arrugginisca e lava il barattolo con acqua e sapone.

Funziona? La prova

Con l'acqua a 3 cm di altezza (circa 210 ml) a 75 °C, copri con 8 cubetti e sale, metti dentro il fumo di un fiammifero dopo 30 s e cronometra da quando chiudi fino a quando la nuvola si vede chiaramente con la torcia. Ripeti senza fumo.

Cosa deve succedere: Con il fumo, la nuvola compare in 10–40 secondi e resta 1–2 minuti a girare. Senza fumo, nello stesso tempo si forma appena un velo tenue o niente: la differenza è molto evidente.

Se qualcosa non va

• Non si forma la nuvola — Acqua poco calda o senza nuclei (il fumo è scappato). Soluzione: Usa acqua a 70–80 °C e metti dentro il fumo sollevando il coperchio il meno possibile, richiudendo all'istante.
• Si forma ma quasi non si vede — Sfondo chiaro o luce di fronte. Soluzione: Metti lo sfondo nero (pezzo A), oscura la stanza e illumina con la torcia da un lato.
• Le pareti si appannano e la nuvola non compare — Le pareti erano fredde e il vapore condensa sul vetro prima che nell'aria. Soluzione: Intiepidisci prima il barattolo e fallo ruotare con l'acqua calda per scaldare le pareti.
• La nuvola sparisce subito — Il ghiaccio si è sciolto o il coperchio non è più freddo. Soluzione: Aggiungi altri cubetti con il sale. Più il coperchio è freddo, più dura la nuvola.
• Il fiammifero si spegne prima di fare fumo — È stato soffiato troppo presto. Soluzione: Lascia bruciare il fiammifero 2 secondi perché il legno prenda fuoco e poi soffialo: fa un filo di fumo di 3–5 secondi.
• Il barattolo scricchiola o si crepa — Shock termico: acqua molto calda in un vetro freddo o sottile. Soluzione: Intiepidisci sempre prima il barattolo, usa vetro spesso da conserva e mai acqua appena bollita.

Sicurezza

• L'acqua a 75 °C ustiona in pochi secondi: la versa un adulto e il barattolo si tiene con uno strofinaccio. I bambini non agitano il barattolo caldo.
• I fiammiferi li accende e li spegne solo un adulto, lontano da capelli sciolti, tende e fogli. I fiammiferi usati vanno in un piatto con acqua.
• Il vetro può rompersi per shock termico: intiepidisci prima il barattolo e appoggialo sempre su uno strofinaccio sul tavolo.
• Non respirate il fumo da vicino e non infilate il naso nel barattolo; arieggia la stanza alla fine.
• Se usi la lacca, solo uno spruzzo, mai vicino a una fiamma: è infiammabile.
• Il sale con il ghiaccio può arrivare a −5 °C: non tenete a lungo in mano i cubetti salati.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

L'acqua calda fa vapore, che è acqua invisibile che fluttua nell'aria. Quell'aria tiepida sale fino al coperchio, che è gelato dal ghiaccio, e lì si raffredda. L'aria fredda non riesce a portare tanto vapore e lo lascia andare sotto forma di goccioline minuscole. Ma le goccioline hanno bisogno di qualcosa a cui aggrapparsi, come tu hai bisogno di una sedia per sederti: le particelle di fumo sono quelle sedie. Milioni di goccioline insieme sono una nuvola.

Per l'adulto

La quantità massima di vapore che l'aria può contenere cresce molto in fretta con la temperatura (pressione di vapore saturo ≈ 47 hPa a 32 °C contro ≈ 6 hPa a 0 °C). L'acqua a 70–80 °C evapora rapidamente e satura l'aria del barattolo; quell'aria umida e calda sale per convezione e si raffredda a contatto con il coperchio a 0 / −5 °C, diventando sovrassatura. Tuttavia, formare una goccia partendo solo da molecole di vapore (nucleazione omogenea) richiede sovrassaturazioni di diverse centinaia per cento, perché la pressione di vapore sopra una goccia molto curva è maggiore (effetto Kelvin). Nell'atmosfera le gocce si formano sugli aerosol (nuclei di condensazione: solfati, sale marino, polvere, fuliggine) con sovrassaturazioni di appena 0,1–1 %. Le particelle di fumo del fiammifero, di 0,1–1 µm, fanno da nuclei: il vapore condensa su di esse formando milioni di goccioline di ≈ 10 µm che diffondono la luce in tutte le direzioni (diffusione di Mie); per questo la nuvola è bianca e si vede meglio illuminata di lato contro uno sfondo scuro. L'aria fredda del coperchio scende e quella calda sale, creando celle di convezione che fanno girare la nuvola. Quando si apre, la nuvola esce ed evapora mescolandosi con l'aria secca della stanza.

• vapore acqueo: acqua sotto forma di gas, invisibile, che fluttua nell'aria.
• condensazione: quando il vapore si raffredda e si trasforma in goccioline di acqua liquida.
• nucleo di condensazione: particella minuscola (fumo, polvere, sale) su cui si forma una gocciolina.
• convezione: movimento dell'aria: quella calda sale e quella fredda scende.
• punto di rugiada: temperatura alla quale l'aria, raffreddandosi, comincia a rilasciare goccioline.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto fa tutto ciò che è caldo e il fumo. I bambini mettono il ghiaccio nel coperchio, spengono la luce, illuminano con la torcia e contano i secondi. Concentrati su «freddo + vapore + fumo = nuvola».
• 8–10 anni: Preparano la scena, il ghiaccio e la scala, cronometrano e confrontano con fumo e senza fumo in una tabella. L'adulto continua a occuparsi dell'acqua e del fiammifero.
• 11–12 anni: Progettano il proprio esperimento cambiando una sola variabile (ghiaccio, temperatura dell'acqua, tipo di nucleo: fumo, lacca, polvere di gesso) e fanno un grafico. Sfida: la nuvola in bottiglia con la pressione e spiegare perché l'aria si raffredda quando si espande.

In gruppo o in classe

Meglio come dimostrazione a stazioni: un adulto per barattolo e gruppi di 5–6 bambini intorno (4 barattoli per 24 bambini). Ogni gruppo ha il suo sfondo nero, la sua torcia e il suo foglio di registrazione. Prepara un thermos di acqua calda per ogni stazione e il ghiaccio in una borsa frigo. Sessione di 40 min: 10 min di spiegazione, 25 min di prove (con fumo, senza fumo, più ghiaccio) e 5 min di confronto finale. Nelle aule dove il fuoco non è permesso, usa la lacca come nucleo.

Sfide

• Fai durare la nuvola più di 2 minuti dentro il barattolo.
• Prova altri nuclei: lacca, polvere di gesso, sale finissimo, incenso. Quale fa la nuvola più densa?
• Fai una nuvola che piove: metti il barattolo a raffreddare in frigorifero con il coperchio di ghiaccio e osserva le gocce sul coperchio.
• Fotografa le nuvole del cielo per una settimana e classificale (cumuli, strati, cirri).
• Costruisci la nuvola in bottiglia e misura con un termometro digitale di quanto scende la temperatura quando lasci andare.

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