Vortice tra due bottiglie

Cosa imparerà

• Che cos'è un vortice: l'acqua che gira forma un imbuto con un vuoto d'aria al centro.
• Che l'acqua e l'aria devono «fare a turno» per passare da un collo stretto, e che il vortice apre una strada a ciascuno: l'acqua lungo i bordi, l'aria al centro.
• Che avvicinandosi al centro l'acqua gira sempre più veloce (come una pattinatrice che stringe le braccia).
• A misurare e confrontare i tempi di svuotamento ripetendo la prova.

Prepara prima

• Togli le etichette alle bottiglie (acqua calda e sapone) e asciugale bene all'esterno: il nastro non attacca sulla plastica bagnata.
• Stampa la sagoma A, incollala sul coperchio di plastica e ritaglia la rondella; fai il foro centrale da 9 mm.
• Taglia 4 strisce di nastro isolante da 30 cm (1,2 m in totale) e lasciale attaccate per una punta al bordo del tavolo.
• Lavora sopra un lavello, un vassoio o all'aperto, nel caso il giunto goccioli alla prima prova.

Materiali e attrezzi

• Bottiglie di plastica — 2 uguali
  1,5 l, trasparenti, lisce, senza etichetta, con la bocca standard delle bibite/acqua (filettatura di ≈ 27 mm)
• Rondella di plastica — 1 (pezzo A)
  Ø 25 mm con foro centrale da 9 mm, ritagliata dal coperchio di plastica di un barattolo (gelato, yogurt grande) o da una cartellina di plastica
• Nastro isolante — 1–1,4 m
  in PVC, largo 15–19 mm (elastico e a tenuta stagna)
• Acqua del rubinetto — 1,1 l (¾ di bottiglia)
  a temperatura ambiente
• Colorante alimentare — 3–4 gocce
  blu o verde
• Pezzetti visibili (facoltativo) — 1 cucchiaino
  carta stagnola in palline da 2–3 mm, paillettes grandi o coriandoli di plastica, per vedere la rotazione
• Qualche goccia di detersivo per piatti (facoltativo) — 1 goccia
  perché l'imbuto d'aria si veda più nitido

Attrezzi

• Forbici robuste — ritagliare la rondella dalla plastica
• Fustella oppure punteruolo e forbicine da unghie — fare il foro da 9 mm della rondella adulto
• Caraffa graduata e imbuto — versare 1,1 l senza rovesciare
• Cronometro — misurare il tempo di svuotamento

Pezzi e sagome

• A · Rondella di passaggio ×1 — plastica di coperchio di barattolo o di cartellina (0,5–1 mm)

Passo passo

1. Riempi la prima bottiglia

   Metti l'imbuto in una bottiglia da 1,5 l e riempila con 1,1 litri d'acqua, fino a circa 4 cm sotto l'inizio della spalla (dove la bottiglia comincia a restringersi verso il collo): tre quarti di bottiglia.

   Verifica: Restano circa 400 ml d'aria sopra: servono al vortice per formare l'imbuto.

2. Aggiungi il colore

   Versa 3–4 gocce di colorante alimentare e, se vuoi, un cucchiaino di palline di carta stagnola o paillettes. Puoi aggiungere 1 goccia di detersivo per piatti.

3. Ritaglia la rondella adulto

   Ritaglia la rondella A di Ø 25 mm dalla plastica del coperchio e fai il foro centrale da 9 mm con il punteruolo e le forbicine da unghie.

   Verifica: La rondella copre giusto il bordo della bocca della bottiglia senza sporgere più di 1 mm.

4. Metti la rondella

   Asciuga bene la bocca della bottiglia piena e appoggiaci sopra la rondella, centrata. Se vuoi che non si sposti, fermala con un pezzetto di nastro su due lati.

5. Metti la seconda bottiglia

   Posiziona la seconda bottiglia, vuota e asciutta, a testa in giù sulla rondella, con le due bocche allineate come se fossero un'unica bottiglia lunga.

   Verifica: Guarda di lato: le due bottiglie formano una linea retta.

6. Primi giri di nastro adulto

   Mentre qualcuno tiene le bottiglie dritte, dai 4 giri di nastro isolante ben tirato proprio sopra il giunto delle bocche, premendo con le dita perché non restino grinze.

7. Rinforza il giunto

   Continua con il nastro a spirale verso l'alto e verso il basso fino a coprire le due filettature e i due anelli del collo, circa 1–1,4 m di nastro in totale. Finisci con 2 giri sopra il giunto.

   Verifica: Tieni l'insieme con la bottiglia piena in alto sopra il lavello per 10 secondi: non deve gocciolare. Se gocciola, aggiungi altri giri tesi sul giunto.

8. Capovolgi

   Gira tutto in modo che la bottiglia con l'acqua stia in alto. Tieni con una mano la bottiglia di sotto e con l'altra il giunto. Vedrai che l'acqua scende a fiotti, piano.

9. Crea il vortice

   Con una mano sulla bottiglia di sopra e l'altra sul giunto, fai 5–6 cerchi orizzontali rapidi di circa 10 cm di diametro in 3 secondi, come se mescolassi in una pentola. Poi fermati e lascia l'insieme fermo e verticale.

   Trucco: Se l'imbuto non compare, fai cerchi più piccoli e più rapidi.

10. Osserva il tornado

    In 2–3 secondi si forma un imbuto d'aria al centro che scende fino al collo, e l'acqua scende a spirale. Guarda da vicino e segui con gli occhi una pallina di stagnola.

    Verifica: L'imbuto arriva dalla superficie fino al collo e l'acqua si svuota senza glu-glu.

11. Ripeti al contrario

    Quando tutta l'acqua è scesa, capovolgi l'insieme e ripeti girando stavolta nel verso opposto. Cronometra lo svuotamento tutte e due le volte.

Funziona? La prova

Con 1,1 l d'acqua e la rondella da 9 mm, cronometra lo svuotamento lasciando la bottiglia ferma (senza rotazione) e poi creando il vortice.

Cosa deve succedere: Senza rotazione l'acqua scende a fiotti e ci mette 40 s o più (a volte quasi si ferma). Con il vortice l'imbuto si forma in 2–3 s e si svuota in circa 15–25 s, in modo continuo.

Se qualcosa non va

• Il giunto gocciola — Nastro poco teso, bocche bagnate o non allineate. Soluzione: Asciuga le bocche, allinea le bottiglie e dai altri 4 giri ben tirati proprio sul giunto.
• Non si forma l'imbuto — Rotazione troppo lenta o troppo ampia, oppure la bottiglia si muove alla fine. Soluzione: Cerchi di 10 cm, rapidi, 5–6 giri, e poi tieni la bottiglia ferma.
• L'acqua scende tutta in 3–4 s senza tornado — Manca la rondella o il suo foro è troppo grande. Soluzione: Metti la rondella con un foro da 8–10 mm.
• L'acqua quasi non scende, nemmeno girando — Foro della rondella troppo piccolo (< 6 mm) o coperto dal nastro. Soluzione: Allarga il foro a 9 mm e verifica che il nastro non chiuda il passaggio.
• Il giunto si piega — Poco nastro o bottiglie pesanti. Soluzione: Copri entrambe le filettature con il nastro e, quando giri, tieni sempre una mano sul giunto e l'altra sulla bottiglia di sopra; usa bottiglie da 1,5 l.
• L'imbuto non si vede bene — Acqua senza colore o bottiglie con rilievi. Soluzione: Aggiungi colorante e palline di stagnola; usa bottiglie lisce.

Sicurezza

• Le bottiglie piene pesano 1,2 kg: i più piccoli devono farle girare da seduti, appoggiando quella di sotto sul tavolo o sulle gambe.
• Fai le prove sopra un lavello o un vassoio: se il giunto si apre, si rovescia più di un litro e il pavimento diventa scivoloso.
• Il punteruolo e la fustella li usa un adulto, con il coperchio appoggiato su un legno.
• Non usare brillantini sfusi che finiscono nello scarico; i pezzi piccoli (paillettes, palline) lontano dai bambini sotto i 3 anni.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando la bottiglia è ferma, l'acqua vuole scendere e l'aria di sotto vuole salire, ma tutte e due cercano di passare insieme dal forellino e si spingono: per questo fa «glu-glu» e va piano. Quando fai girare la bottiglia, l'acqua comincia a girare come su una giostra e si schiaccia contro le pareti, e al centro resta un tunnel vuoto. Da quel tunnel sale l'aria, e l'acqua scende girando tutto intorno. Ognuno ha la sua strada! Quell'imbuto che gira si chiama vortice, ed è la stessa cosa che succede in un tornado o quando svuoti la vasca da bagno.

Per l'adulto

Con la bottiglia ferma, l'acqua può uscire solo se entra un volume uguale d'aria dallo stesso foro: si crea un flusso instabile a fiotti (le bolle salgono una alla volta) e la portata è bassa. Imprimendo una rotazione, l'acqua acquista momento angolare. Scendendo verso il foro, il raggio di rotazione diminuisce e, poiché il momento angolare si conserva (v·r ≈ costante, vortice libero), la velocità tangenziale aumenta molto vicino all'asse. Per mantenere questa traiettoria curva serve una forza centripeta, fornita da un gradiente di pressione: la pressione è minore al centro, la superficie libera si abbassa e si forma l'imbuto (di forma approssimativamente iperbolica). Questo nucleo d'aria collega le due bottiglie, l'aria sale dal centro senza interrompere l'acqua e lo svuotamento diventa continuo e più rapido. Parlare di «forza centrifuga» è il modo di descriverlo dal punto di vista dell'acqua che gira (sistema non inerziale). La rondella da 9 mm limita la portata perché il vortice abbia il tempo di formarsi e si veda per 15–25 s. I tornado atmosferici si intensificano in modo simile, per concentrazione della rotazione in una colonna stretta; il verso di rotazione nella bottiglia lo decide la tua mano, non l'emisfero (l'effetto Coriolis è trascurabile a questa scala).

• vortice: fluido che gira attorno a un asse formando un mulinello.
• fluido: qualcosa che può scorrere e cambiare forma, come l'acqua o l'aria.
• forza centrifuga: la sensazione di essere spinti verso l'esterno quando qualcosa gira.
• pressione: quanto forte spinge un fluido; al centro del vortice è minore.
• momento angolare: la «quantità di rotazione»: se qualcosa che gira si stringe, gira più veloce.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto prepara la rondella e il giunto; il bambino riempie con l'imbuto, aggiunge il colore e fa girare. Idea chiave: «l'aria sale dal centro e l'acqua scende girando».
• 8–10 anni: Montano tutto tranne il foro della rondella. Fagli cronometrare con e senza rotazione e calcolare la media di 3 prove.
• 11–12 anni: Esperimento con una variabile (foro o quantità d'acqua), tabella e grafico. Sfida: spiegare l'imbuto con la conservazione del momento angolare.

In gruppo o in classe

A coppie, un tornado per coppia (chiedi a ogni famiglia 2 bottiglie da 1,5 l uguali). Prepara prima le rondelle (1 per coppia) e il nastro già tagliato. Riempi le bottiglie in una postazione con bacinella e caraffe. Sessione di 40 min: 10 min di montaggio, 15 min di prove e cronometraggio, 15 min di confronto con una tabella alla lavagna (tempi con e senza rotazione di tutti). Usa tavoli con vassoi o fai l'attività in cortile.

Sfide

• Ottieni il tornado che dura più a lungo cambiando una sola cosa.
• Costruisci un giunto riutilizzabile con due tappi incollati e un foro da 9 mm (con l'aiuto di un adulto).
• Aggiungi 2 cucchiai di olio da cucina: che cosa succede all'olio dentro il vortice?
• Fai un tornado in una bottiglia da 500 ml e confronta quale è più «rapido» per litro d'acqua.

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