Versione slovena
Programma di Iniziativa Comunitaria InterreG III - ITALIA - SLOVENIA 2000 - 2006
Materiali di innovazione didattica in fisica a supporto della formazione iniziale e in servizio degli insegnanti
Capire i fluidi - Modelli microscopici e mesoscopici

Italiano Come si propaga l’umidità?

Le fibre in un rotolo di carta igienica stanno una vicino all'altra, tra loro però c'è ancora dello spazio che, finché non bagnamo la carta, è occupato dall'aria. Le fibre formano una struttura lungo la quale l'acqua sale come nei capillari. La distanza media tra le fibre corrisponde al diametro di un capillare. Se il capillare sta in posizione verticale l'acqua salirà fino ad una determinata altezza. Se il capillare ( o la carta igienica) si trova in posizione orizzontale l'acqua prima o poi riempirà tutto il capillare ovvero bagnerà tutto il pezzo di carta.
Misureremo come varia nel tempo la lunghezza della carta igienica bagnata. Riporteremo le misurazioni in un grafico.

Attività degli allievi 

Per svolgere l'esperimento hai  bisogno di

Srotola un metro abbondante di carta igienica sul tavolo. Una delle estremità penda un po' oltre al bordo del tavolo. Poni il recipiente con l'acqua  sotto al pezzo di carta pendente in modo che una piccola striscia iniziale di carta sia bagnata dall'acqua ( vedi la figura). Appena inserita la striscia di carta nell'acqua fai partire il cronometro. L'acqua comincerà a propagarsi prima verso l'alto e poi in senso orizzontale nella carta.. Annota lo spazio percorso via via  dall'acqua ( misura dal livello dell'acqua nel ricipiente) con i rispettivi tempi. L'acqua si propagherà lentamente nella carta cosicché avrai tutto il tempo necessario per effettuare le misurazioni.

Domande

Perche’ si formano le bollicine nei liquidi?

Scuotendo o soffiando in due bottiglie contenenti due liquidi che hanno quasi la stessa densita’ come ad esempio l’acqua e l’olio d’oliva,  le bollicine che si formano sono il risultato delle diverse proprieta’ dei liquidi ( viscosita’, densita’, tensione superficiale). La viscosita’e’ una proprieta’ fisica dei liquidi  che esprime la loro resistenza al movimento. Le bollicine si formano come conseguenza dello spostamento dei diversi strati del liquido che scivolano uno sull’altro intrappolando l’aria.
L’olio d’oliva ha il coefficiente di viscosita’ 10 volte piu’ grande di quello dell’acqua . La velocita’ delle bollicine di raggio minore ben presto raggiunge un valore costante ed essendo la velocita’ delle bollicine inversamente proporzionale al coefficiente di viscosita’ di conseguenza sono piu’ lente. Essendo la velocita’ delle bollicine anche  proporzionale al loro raggio, le bollicine di raggio piu’ piccolo salgono piu’ lentamente verso la superficie del liquido.

Attività aggiuntive per gli allievi motivati:

Indicazioni per l'insegnante

Uso dell'esperimento in cinematica

L'esperimento appena descritto può essere usato nella trattazione del moto, ad es. nella spiegazione della velocità ( senza però addentrarsi nella spiegazione della tensione superficiale). Nell'ambito scolastico quasi tutti gli esempi che presentiamo agli allievi si limitano al moto rettilineo uniforme e al moto uniformememnte accelerato. Il nostro esperimento è un esempio di moto in natura che non è né uniforme né uniformemente accelerato e questa può essere un'occasione per far applicare gli allievi il sapere acquisito in una situazione nuova.

Spiegazione qualitativa del contesto fisico nell'esperimento descritto 
Osserviamo un capillare orizzontale nel quale immettiamo una goccia d'acqua ad una delle sue estremità (nella carta igienica avviene qualitativamente lo stesso). La tensione superficiale in un attimo risucchia l'acqua nel capillare, all'inizio a grande velocità. Però maggiore è la colonna d'acqua nel capillare maggiore è la forza resistente viscosa che si oppone alla forza °motrice°, tensione superficiale ( costante nel tempo). La forza resistente viscosa è proporzionale alla lunghezza della colonna d'acqua e alla velocità. Quindi quando la lunghezza della colonna d'acqua aumenta, la velocità diminuisce. La forza resistente viscosa, che si oppone, è nel tempo approssimativamente uguale alla tensione superficiale che spinge l'acqua ( chiaro in senso opposto). La viscosità rallenta il moto dell'acqua, però non lo arresta, a condizione che  il capillare sia abbastanza lungo.; il liquido scorre finché su di esso agisce la forza di taglio. La velocità del moto dell'acqua nel capillare orizzontale è condizionata dai seguenti parametri: la tensione superficiale, la viscosità e il diametro d del capillare. L'elaborazione matematica, che segue alla riflessione appena descritta, conduce all'espressione della lunghezza della colonna d'acqua nel capillare orizzontale in funzione del tempo

dove  è il coefficiente di viscosità del liquido,  è il coefficiente della tensione superficiale x lo misuriamo dall'inizio del capillare. Quindi la lunghezza della colonna d'acqua nel capillare orizzontale cresce con la radice quadrata del tempo. Dalle misurazioni, relative allo spazio percorso nel tempo dal liquido nel capillare orizzontale, possiamo, ad esempio, valutare il diametro del capillare conoscendo la viscosità e la tensione superficiale. Si dimostra che l'approssimazione non è valida all’inizio, quando la colonna d’acqua nel capillare è piccola e l’ accelerazione è grande, nelle fasi successive invece descrive correttamente il fenomeno.