Forze e movimento

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Forze e movimento

Movimenti, ingranaggi e trasmissione del moto
Le forze fanno muovere gli oggetti ma un oggetto che si muove può trasmettere il suo moto ad un altro? Con quanta forza? Perché i pedali della bicicletta non muovono direttamente la ruota? Se la forza del remo spinge indietro l’acqua, quale forza fa avanzare la barca? Scopriremo coi prossimi esperimenti come il moto si trasmette da un oggetto ad un altro attraverso gli urti o tramite ingranaggi. Nelle macchine, sia grandi come le automobili sia piccole come gli orologi servono degli ingranaggi per funzionare. Spesso gli ingranaggi sono di metallo perché possano durare più a lungo. All’interno di un orologio a polso gli ingranaggi sono molto piccoli ma fanno girare le lancette dell’orologio alla velocità giusta. Il tic tac dell’orologio è dovuto al rumore degli ingranaggi che si muovono. Gli ingranaggi spesso hanno l’aspetto di una ruota dentata che si incastrano nei denti di un’altra ruota, così che quando una ruota gira mette in movimento la ruota vicina. Gli ingranaggi pertanto servono a trasferire energia e movimento da una parte all’altra di una macchina.

Esperimento 1: I rulli
Un modo per spostare le cose consiste nel trascinarle. Ciò può rivelarsi difficile poiché facendo strisciare un oggetto per terra si produce attrito. Mettendo dell’olio su un pavimento diminuirebbe l’attrito ma questo non è sempre possibile. Gli oggetti possono essere spostati più facilmente appoggiandoli su rulli, come manici di scopa o matite. La scatola invece di strisciare con difficoltà sul pavimento, scorre facilmente poiché non c’è più molto attrito. Lo sapevate che i rulli non devono essere necessariamente circolari per scorrere bene? Rulli di altra forma sono altrettanto validi!

Esperimento 2: la bicicletta
I pedali sono delle leve e la catena è il rullo. Le prime biciclette (velocipedi) avevano pedali montati direttamente sulla ruota anteriore. Per ridurre lo sforzo necessario alla partenza la ruota doveva essere enorme e salire e scendere era molto difficoltoso.
Poi si scoprì che i pedali potevano essere fissati in posizione più comoda e che, con un sistema di rulli si poteva trasmettere il movimento alla ruota.
In una bicicletta i pedali funzionano come un sistema di leve vantaggioso e gli ingranaggi vicini alle ruote rendono più agevoli le partenze.
Prova a costruire dei cingoli come quelli in figura, sono due tubi di cartone liscio rivestiti di cartone ondulato e di una striscia dello stesso materiale. Girando il tubo piccolo, noterai che anche il tubo grande viene messo in movimento. Su quale delle due ruote conviene applicare la forza disponibile per ottenere la massima spinta di partenza? Controlla le tue conclusioni osservando attentamente gli ingranaggi di una bicicletta.
Nella corsa con la bicicletta, quali sono le forze che permettono e ostacolano il movimento?

Quali sono gli attriti? Attrito volvente della ruota sul terreno, attrito del piede sul pedale, attrito tra il sedere e il sellino, attrito della mano sul manubrio, resistenza dell’aria (durante tutta la corsa il ciclista deve fare i conti con la resistenza dell’aria, si utilizzano materiali leggeri e forme aerodinamiche sia nella costruzione delle biciclette sia nella forma del casco)

Esperimento 3: La bicicletta e gli attriti
La bicicletta presenta diversi tipi di attrito. Capovolgete una bicicletta e muovete i pedali sino a far girare la ruota posteriore a grande velocità. Quanto tempo impiega la ruota per rallentare e fermarsi? I cuscinetti a sfera al centro della ruota strusciano tra loro ed è l’attrito fra i cuscinetti a far rallentare la ruota. Se mettete del grasso sui cuscinetti, l’attrito diminuirà e la ruota girerà più agevolmente. Guardate ora la catena se ci mettete dell’olio che è un lubrificante scorrerà meglio e consentire di pedalare con minor sforzo.
L’attrito può anche essere molto utile: se pedalate velocemente o fate una curva è grazie all’attrito che il pneumatico fa presa sull’asfalto e non fa scivolare! C’è poi un caso in cui l’attrito è essenziale: mentre andate in bicicletta dovete fermarvi all’improvviso e i freni producono una forza molto intensa. C’è molto attrito tra i pattini di gomma dei freni e i cerchioni di metallo delle ruote. Provate ad indicare tutti i punti della bicicletta in cui si ha attrito.

Esperimento 4: Le carrucole
Le carrucole sono ruote su cui scorrono delle funi, usate nei cantieri per sollevare carichi pesanti. Grazie ad una specie di carrucola potrete apparire più forti di due amici messi insieme. Avete bisogno di una fune lunga circa 6 metri e di due manici di scopa. Mettete due amici uno di fronte all’altro con un manico di scopa a testa, legate l’estremità della fune a un manico e fate passare la fune intorno a entrambi i manici e fate passare la fune intorno a entrambi i manici per cinque volte. Tirando la fune, sarete sicuramente in grado di far avvicinare i due amici nonostante tutti i loro sforzi per impedirvelo.

Esperimento 5: Le ruote dentate
Materiale: cartoncino, foglio di carta per il ricalco, una matita, forbici, colla, due spilli, tavola di polistirolo
Come procedere:

ricalcare separatamente sul foglio di carta le due ruote dentate e ricalcare anche il centro e il contrassegno su uno dei denti,
incollare il foglio sul cartoncino e ritagliare le ruote,
bucare il centro e fare un piccolo foro anche sui contrassegni,
con gli spilli fissare alle ruote la tavoletta di polistirolo in modo che ingranino l’una con l’altra e che i due contrassegni siano vicini
puntare la matita sul contrassegno della ruota grande e farla girare osservando entrambi i contrassegni e stabilire quanti giri compie la ruota piccola durante un giro completo della grande
puntare infine la matita sulla ruota piccola e contare i giri della grande durante un giro completo della piccola, osservare anche il senso in cui girano le due ruote

Cosa accade? A ogni giro completo della ruota grande corrispondono quasi due giri di quella piccola, a ogni giro della piccola corrisponde mezzo giro della grande. Le ruote girano in senso opposto.
Perché? Le ruote dentate costituiscono un ingranaggio, un semplice sistema per trasmettere il movimento con velocità e forza variabili. Quando la ruota grande aziona quella piccola la fa muovere a maggiore velocità. Quando la ruota piccola aziona quella grande la fa muovere a velocità minore ma con maggiore forza. Questo tipo di trasmissione del movimento è utile perché permette di ottenere una maggiore velocità o una maggiore energia.

Esperimento 6: La ruota idraulica
Materiale: un rocchetto, un pennarello, un cartoncino lucido, forbici, colla, lavandino
Come procedere:

tagliare quattro rettangoli di cartoncino larghi come il rocchetto e lunghi il doppio
segnare la metà sul lato lungo,
piegare ogni rettangolo lungo la linea
incollare una metà sul rocchetto
infilare nel foro centrale del rocchetto il pennarello
tenere la ruota a pale orizzontalmente sotto il getto dell’acqua.

Che cosa succede? L’acqua fa girare la ruota
Perché? La forza di caduta dell’acqua, dovuta alla gravità, si trasforma nell’impatto in moto delle pale attaccate al rocchetto cilindrico imprimendo un movimento rotatorio. La ruota a pale non arresta la caduta dell’acqua perché non è rigida ma mobile, infatti può ruotare intorno a un perno fisso.

Esperimento 7: La girandola
Materiale: Costruite una girandola con del cartoncino, due perline di vetro e un pezzo di legno
Come procedere:

disegnare la figura su un cartoncino
ritagliare lungo le linee tratteggiate,
curvare ogni paletta verso il centro senza piegarla
fissare la girandola al manico di legno per mezzo di due perline in modo che possa girare liberamente.

Cosa accade se muovete la girandola? L’aria la spinge generando una forza che la fa girare, provate a vedere se riuscite a far muovere la girandola ancora più forte facendo palette più grandi o cambiandone la forma.

Esperimento 8: Movimenti a catena (Cosa accade se un corpo in moto urta uno fermo?)
Scopo: verificare cosa accade se un corpo in moto urta uno fermo
Materiale: righello e due monete
Come procedere:

appoggiare un righello ad un piano liscio,
sistemare una delle monete a contatto con una estremità del righello,
far scorrere sul piano una moneta in modo da colpire con forza l’estremità opposta del righello

Che cosa accade? Quando la moneta lanciata colpisce il righello l’altra scatta in avanti come se fosse stata colpita direttamente
Perché? La forza della moneta in moto viene trasmessa al righello e dal righello alla moneta

Un esempio: il gioco del biliardo
Quando la stecca colpisce la pallina questa comincia a muoversi lungo la traiettoria rettilinea finché non urta un’altra palla. Nella collisione l’energia della prima palla si trasmette in parte a quella colpita che comincia a muoversi. La prima palla in seguito all’urto cambia direzione, rallenta e poi si ferma per attrito.

Esperimento 9: Passaggio di movimenti
Scopo: verificare cosa accade se un corpo in moto urta uno fermo
Materiale: 8 biglie, 2 libri alti, un foglio di carta
Come procedere:

sistemare il foglio tra i due libri e mettere nel canale che si è creato 7 biglie in modo che siano in fila e a contatto le une dalle altre,
colpire la fila con la biglia rimasta
provare a colpire la fila con due biglie e poi con tre.

Cosa accade? Quando una biglia colpisce le altre l’ultima della fila si stacca e se due biglie colpiscono la fila se ne staccano due e così via
Perché? L’energia del movimento della biglia lanciata contro le altre si trasmette da una biglia ad un'altra fino ad arrivare all’ultima, questa utilizza l’energia ricevuta per allontanarsi. Quando le biglie sono due o più si produce un maggiore spostamento di biglie.

Esperimento 10: Motore ad acqua
Materiale: un bicchiere di plastica, due cannucce con estremità pieghevole, un chiodo, spago, lavandino, plastilina
Come procedere:

fare due buchi opposti nel bicchiere con il chiodo vicino alla base e allargarli in modo che abbiano lo stesso diametro delle cannucce,
tagliare la parte pieghevole delle due cannucce e infilare un pezzo in ogni buco
fissare con la plastilina e piegare in direzioni opposte,
praticare due piccoli fori vicino al bordo del bicchiere e infilare due pezzi di spago per tenere sospeso il bicchiere sul lavandino
far scorrere l’acqua.

Cosa accade? Il bicchiere gira in senso contrario a quello di uscita dell’acqua
Perché? Quando l’acqua esce dalle cannucce le spinge in direzione contraria: questo è un movimento di reazione.

Un esempio: L’eolipila di Erone
Intorno al 100 dC l’ingegnere greco Erone di Alessandria inventò l’eolipila, una macchina in grado di sfruttare il principio del moto a reazione. In una caldaia si faceva bollire dell’acqua, il vapore prodotto veniva convogliato in una sfera sovrastante da due tubi e costretto a uscire attraverso due bracci piegati ad angolo retto. Questi fissati alla sfera ne provocavano la rotazione. Questo anche se non fu mai utilizzata in pratica perché produceva poca energia fu il primo tentativo di turbina a vapore.

Un esempio: Il polpo “a reazione”
Il polpo ha una fessura sull’addome da cui entra acqua che viene immagazzinata in una cavità interna. Per spostarsi in avanti il polpo espelle violentemente l’acqua immagazzinata da un piccolo imbuto laterale: più il getto è forte e più il movimento è rapido.
L’imbuto è orientabile per cambiare direzione, lo stesso sistema di spostamento è utilizzato da seppie e calamari e con lo stesso principio funzionano i motori degli aerei e dei razzi. Anche l’uomo per muoversi in acqua utilizza lo stesso principio e quando rema spinge indietro l’acqua per poter mandare avanti la barca. Infatti, quando a un corpo si applica una forza si produce una forza di reazione uguale e contraria.

Esperimento 11: Peso e movimento
Materiale: camioncino giocattolo, tavolo, un metro circa di spago, pesi diversi, bicchiere di plastica, pennarello, forbici
Come procedere:

bucare il bordo del bicchiere in due punti opposti
infilare lo spago nei fori e annodarlo,
legare l’estremità libera dello spago alla parte anteriore del camion e appoggiarlo sul tavolo in modo da far penzolare il vasetto oltre il bordo,
segnare la posizione di partenza del camion,
distribuire nel bicchiere e sul camion i pesi a disposizione (tutti sul bicchiere, tutti sul camion, un po’ sull’uno e un po’ sull’altro) e verificare in quale situazione il camion percorre più velocemente il piano del tavolo

Cosa accade? La velocità del camion aumenta con l’aumentare del peso del bicchiere e rallenta se aumenta il suo carico.
Perché? La velocità aumenta se cresce la forza che provoca il movimento, la forza di gravità attira il bicchiere verso il basso che a sua volta trascina il camion. Il peso riduce la velocità perché controbilancia il peso del bicchiere.

Esperimento 12: Cambio di direzione
Materiale: automobilina, calamita
Come procedere:

scegliere un percorso sul quale lanciare l’ automobilina e fare alcune prove verificando che il percorso sia rettilineo e che non incontri ostacoli
vedere fin dove arriva l’automobilina con la spinta e a metà percorso, lateralmente sistemare la calamita in modo che l’automobilina passi a pochi centimetri da essa.

Cosa accade? Quando l’auto passa vicino alla calamita cambia direzione, se la calamita è troppo vicina i due oggetti potrebbero toccarsi e allora conviene ripetere l’esperimento allontanandoli
Perché? La calamita esercita una forza di attrazione sul veicolo e lo costringe a modificare la direzione, senza la forza esterna l’auto continua a muoversi lungo un percorso rettilineo finché l’attrito esaurisce la sua spinta iniziale

Esperimento 13: Il parco giochi, le forze e il moto
In un parco giochi si possono realizzare cose molto divertenti con le forze. Provate una altalena, muovendo le gambe avanti e indietro potete spingere l’altalena sempre più in alto e la gravità vi attira sempre verso il basso. Poi fate un giro sulla giostra: mentre gira potete sentire una forza che tira il corpo e che continua a farvi girare.
Ora provate lo scivolo: lasciatevi andare e la gravità vi tirerà giù. La superficie dello scivolo: per farvi scivolare più facilmente dovrebbe essere molto liscia. Cosa accadrebbe se fosse ruvida?
Appoggiate un vassoio su una pila di libri come a formare uno scivolo e scegliete sia oggetti leggeri sia pesanti w fateli scivolare: alcuni scivolano più velocemente di altri. Se bagnate il vassoio scivolano più veloci? Provate anche a cambiar la pendenza del vassoio: quale differenza produrrà nel modo di far scivolare gli oggetti?

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