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 Il diavoletto di Cartesio- palombaro

Prepara l'esperimento dimostrativo conosciuto con il nome di Diavoletto di Cartesio dove il peso del diavoletto sia di ferro (sostanza ferromagnetica). Un diavoletto semplice si può costruire piegando una cannuccia alla quale si aggancia un »coccodrillo« che di solito usiamo per collegare i fili in un circuito elettrico (vedi Figura 1).


Figura 1

Riempiamo la bottiglia di plastica fino all'orlo con l'acqua e lasciamo cadere in essa il diavoletto appesantito. Se il diavoletto affonda sostituisci la cannuccia con una più lunga.Il diavoletto è correttamente appesantito se spunta dall'acqua di 5 mm. Una volta sistemato il diavoletto chiudi la bottiglia ed attorno ad essa stringi l'anello di metallo che di solito si usa per fissare dei grossi tubi ( le estremità dell'anello si chiudono con un meccanismo a vite che permette di variare il suo diametro). È molto importante scegliere un anello di un metallo non magnetico ( acciaio inossidabile) per impedire che esso si magnetizzi e influenzi la parte metallica del diavoletto.
Con il cacciavite gira la vite in modo che l'anello si fissi strettamente alla bottiglia.Se il diametro dell'anello è troppo grande inserisci tra l'anello e la bottiglia un tappo di sughero e stringi la vite ( vedi Figura 2).


Figura 2: Il diavoletto di Cartesio-palombaro

Girando ancora la vite stringi l'anello alla bottiglia fino a che, ad un certo punto, il diavoletto non andrà a fondo. Successivamente lentamente allenta la vite finché il diavoletto molto pigramente risalga dal fondo per raggiungere il collo della bottiglia. Solo ora il diavoletto è pronto per l'esperimento più importante: avvicina un magnete alla bottiglia in modo da attirare la sua parte metallica e dagli poi un colpetto in direzione del fondo bottiglia. Il diavoletto affonderà e non risalirà più in superficie. Se in questa posizione gli diamo,con il magnete, un colpetto verso l'alto, il diavoletto raggiungerà di nuovo il collo della bottiglia. Con un po' d'esercizio possiamo individuare la profondità nella bottiglia dalla quale sempre il diavolettto affonderà e sempre il diavoletto risalirà in superficie.

Obiettivi

Comprensione della dipendenza della spinta di Archimede dalla profondità per i corpi contenenti una bolla d'aria e soggetti alla pressione idrostatica. La sintesi e l'applicazione delle conoscenze acquisite nella trattazione dell'idrostatica ( spinta verso l'alto, pressione), della termodinamica ( la legge di Boyle) e della meccanica ( le leggi di Newton).

Attività degli allievi 

1. Gli allievi osservano e comprendono dapprima come funziona il diavoletto di Cartesio tipico. Se abbiamo a disposizione un computer con il software per fare le misurazioni on-line, misuriamo ancora come cambia la pressione nella bottiglia mentre la stiamo stringendo.
2. Attiriamo quindi l'attenzione degli allievi sulla variazione della pressione idrostatica con la profondità e chiediamo come essa influenza la grandezza della bolla d'aria nel diavoletto ( confrontiamo un valore tipico della pressione idrostatica con il valore misurato relativo alla variazione della pressione per compressione e dimostriamo che nel caso della bottiglia il primo valore è molto più piccolo del secondo).
3. Segue una riflessione importante relativa al caso limite » che cosa succederebbe se spingessimo il diavoletto ancora più giù ad es.fino sul fondo di un lago?« Con  alcune domande aggiuntive aiutiamo gli allievi a dedurre che sotto ad una data profondità il diavoletto affonderebbe.
4. Continuiamo deducendo che possiamo far affondare il diavoletto in due modi: il primo aumentando la pressione sulla superficie dell'acqua e il secondo spingendo il diavoletto ad una determinata profondità. Nell'esperimento che abbiamo descritto abbiamo unito i due modi » accorciando« la profondità critica, sotto alla quale il diavoletto affonda, riuscendo a posizionarla sull'altezza dell'acqua della bottiglia

Alcune domande con le quali indirizzare lo studio attivo e la riflessione degli allievi 
( domande che riguardano la bottiglia chiusa, piena d'acqua, sarà più facile costruire il modello fisico se diciamo che alla fine del collo della bottiglia c'è una piccola bolla d'aria).
Come cambia la pressione nella bottiglia con la profondità se essa non è tappata?
Come varia la pressione ad una data profondità nella bottiglia se la stringiamo?
Durante la compressione della bottiglia cambia la massa del diavoletto? Spiega perché?
Durante la compressione della bottiglia cambia il volume del diavoletto? Spiega perché? Come?
Durante la compressione della bottiglia il diavoletto cambia la sua densità? Spiega perché? Come?

( Similmente, come per le ultime tre domande, si riferiscono però alla spinta del diavoletto verso il fondo di un lago profondo.)
Perché il peso del diavoletto deve essere di ferro?
Proponi come, dalle misurazioni fatte durante l'esperimento, potresti determinare la profondità critica fino alla quale spingere il diavoletto in un lago profondo affinché cominci ad affondare. ( Dobbiamo misurare la pressione nella bottiglia per la quale sono state raggiunte le condizioni descritte nell'esperimento. Con il valore della pressione possiamo calcolare la profondità critica).
Come potrebbe influire l'aumento o la diminuizine della temperatura dell'acqua nella bottiglia sui risultati descritti nell'esperimento?

Indicazioni per l'insegnante

Età degli allievi: 15-18 anni
Preconoscenze previste: pressione nei liquidi, spinta verso l'alto, legge di Boyle, leggi di Newton  

Suggerimenti didattici 

Tempo permettendo, gli allievi partecipino alla costruzione del diavoletto. L'esperimento è adatto particolarmente al lavoro in gruppi piccoli dove ogni gruppo costruisce il suo diavoletto e ne studia le caratteristiche.
È importante che gli allievi capiscano come nel diavoletto varia la densità media, per questo, durante la dimostrazione, è necessario presentare un disegno grande e chiaro della sua struttura.
Proponiamo di inserire l'esperimento, come esperimento dimostrativo. nella spiegazione del funzionamento della vescica natatoria dei pesci o al ruolo dell'aria negli scafandri dei palombari.

Suggerimenti pratici

Se riempiamo la bottiglia con l'acqua del rubinetto lasciamola aperta per alcune ore in modo che i gas sciolti nell'acqua si disperdano nell'aria. Se scuotiamo leggermente la bottiglia sulle sue pareti si raccolgono delle bollicine che salgono poi verso la superficie.
Alla fine dell'esperimento togliamo il diavoletto dall'acqua e lo asciughiamo, il coccodrillo di ferro può arruginirsi e, ripetendo l'esperimento, la ruggine colora l'acqua.