Oscillazioni

1. Oscillazioni Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Concetti 1) forza ed equilibrio trasformazioni di energia moto periodico 2) forza ed equilibrio trasformazioni di energia moto periodico misure di tempo 3) forza ed equilibrio trasformazioni di energia periodo misure di tempo Attività 1) Spostare dall’equilibrio 2) Far oscillare 3) Far oscillare 1) L’asinello acrobata 2) Il pendolo 3) La molla D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007” Oscillazioni-1

2. Oscillazioni Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Consegna: tutto quello che si può fare con pendoli, elastici e molle per osservare l’oscillazione e misurare intervalli di tempo • Forze ed energia in un moto oscillatorio • un moto oscillatorio è causato da forze di richiamo verso una posizione di equilibrio, • durante il moto l’energia si trasforma periodicamente da energia di moto a energia di posizione, • tuttavia, trasformandosi, parte dell’energia si disperde a causa degli attriti e quindi l’oscillazione è smorzata, • il moto è periodico, cioè il corpo ripassa a intervalli regolari di tempo per le stesse posizioni, • il periodo dell’oscillazione dipende dalle caratteristiche del corpo e delle forze di richiamo e può essere utilizzato come unità di misura del tempo in un “orologio”, • il tempo di smorzamento in cui siricupera la posizione di equilibrio è caratteristico dell’interazione con l’ambiente circostante • Misura del tempo • è possibile definire una procedura che permetta di confrontare e ordinare il tempo in modo non ambiguo • per misurare il tempo occorre definire una procedura di misura e trovare una unità di misura • per la misura del tempo si utilizzano fenomeni in cui il tempo scorre in modo lineare oppure in modo ciclico • i fenomeni in cui il tempo scorre in modo ciclico sono fenomeni periodici, nei quali tutto si ripete in modo identico a distanza di tempo di un periodo • l'unità di misura del tempo nel SI è il secondo (simbolo s) Oscillazioni-2

3. L’asinello acrobata Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti:un tappo di sughero, quattro fiammiferi, un pezzo di cartone tagliato con la sagoma di una testa di asino, un pezzo di fil di ferro a forma di mezzo anello, un dado di bullone pesante, cordino, contasecondi, righello. • Attività: • Fissare al tappo di sughero la testa di cartone, i quattro fiammiferi (che saranno le zampe dell’asinello) e il fil di ferro (che sarà la coda); • normalmente l’asinello ha bisogno di stare sulle quattro zampe per rimanere in equilibrio, ma, se si appende il dado all’estremità del fil di ferro in modo che penda al di sotto dell’asinello come in figura, esso rimarrà in equilibrio sulle sole zampe posteriori; • anche se si sposta l'asinello dalla posizione di equilibrio, dopo una breve oscillazione, vi farà ritorno! • Osservare l’oscillazione, individuare le forze, in particolare individuare le “forze di richiamo”, indicandole con delle frecce con il corretto punto di applicazione; • misurare il periodo dell’oscillazione (misurare il tempo di 20 oscillazioni e dividere per 20); • appendere il dado all’anello attraverso un cordino lungo circa 20 cm e rimisurare il periodo dell’oscillazione; • individuare un criterio per valutare lo smorzamento dell’oscillazione e il tempo di smorzamento • Concetti: • equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio, • moto oscillatorio, • periodo dell’oscillazione, • smorzamento Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’oscillazione e dell’equilibrio • Riferimenti: • G. Meraviglia – La scienza in altalena Schede di giochi e scienza - Ed. Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio; • scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità” Oscillazioni-3a

4. L’asinello acrobata Fp-ris Fp-perp d FT-perp FT-ris Fp-ris FTa B FT-ris FTd • La fisica: • composizione di forze e forze in equilibrio: perché l'asinello diventa un "acrobata" con un dado pesante attaccato alla coda. Alla forza-peso FTadell'asinello, si aggiunge la forza-peso FTd del dado, come mostrato in figura, per cui il baricentro B, a cui si può pensare applicata la loro risultante FT-ris, si sposta in basso e viene a trovarsi lungo la verticale che è allineata con la forza di reazione Fp-ris esercitata dall'appoggio; perciò l'equilibrio è stabile; • oscillazione: spostando il dado dalla verticale, la componente della forza FT-ris diretta lungo la congiungente continua ad equilibrarsi con l’analoga componente della forza di reazione Fp-ris esercitata dal piano, mentre la componente perpendicolare FT-perp non è più allineata e funziona da forza di richiamo che riporta il dado verso il basso. Giunto sulla verticale, il dado prosegue per inerzia, la componente FT-perp si inverte e funge di nuovo da richiamo nell’altro senso; • il periodo dell’oscillazione dipende dalla distanza d fra i punti di applicazione delle due forze: maggiore è la distanza, più lungo è il periodo; • il tempo di smorzamento dipende soprattutto dall’attrito contro l’appoggio; può essere valutato osservando dopo quante oscillazioni l’ampiezza dell’oscillazione si dimezza Contesto: - la conduzione dell’attività in modo ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Oscillazioni-3b

5. Il pendolo posizione di equilibrio Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: filo, dado o pallina di pongo , una bacchetta da tenda, pinze da bucato, forbici, metro a nastro, contasecondi. • Attività: • costruire vari pendolini utilizzando il dado e il pongo per formare palline di massa diversa e tagliando il filo per ottenere lunghezze diverse; • fissarli con le pinze da bucato alla bacchetta, che si dovrà appoggiare agli estremi in modo che i pendolini possano oscillare liberamente. • inizialmente osservare semplicemente come oscillano i diversi pendoli, cercando di capire come avviene l’oscillazione e di individuare la forza di richiamo verso la posizione di equilibrio; • misurare il tempo che il pendolo impiega a fare una oscillazione completa (periodo), misurando il tempo di 10 oscillazioni e dividendo per 10; • analizzare poi quali grandezze caratterizzano l’oscillazione e da che cosa dipende il periodo; • successivamente trovare il modo di confrontare e/o misurare il periodo dei diversi pendolini, intervenendo eventualmente anche sul come è fatto il pendolo (lunghezza del filo, massa della pallina); • misurare sistematicamente la relazione fra lunghezza del pendolo e periodo e riportarla in un grafico; • stimare infine il tempo di smorzamento, valutando dopo quante oscillazioni l’ampiezza si riduce circa alla metà. • Concetti: • equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio, • moto oscillatorio e periodo dell’oscillazione, • trasformazione/conservazione dell’energia Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’oscillazione e dell’equilibrio • Riferimenti: • - G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio; • scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità”; • analizzare le trasformazioni dell’energia e la sua conservazione/dispersione Oscillazioni-4a

6. Il pendolo Fs-p Fs-p Fs-p Fs-p-perp Fs-p-perp (a) d posizione di equilibrio FTd-perp FTd-perp FTd FTd (b) (c) posizione di equilibrio posizione di equilibrio FTd Contesto: - la conduzione dell’attività in modo ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • La fisica: • forze in equilibrio: nella posizione di equilibrio il dado a cui è sostanzialmente applicata la forza peso FTd viene a trovarsi lungo la verticale che è allineata con la forza di reazione Fs-p esercitata dall'appoggio, perciò l'equilibrio è stabile; • oscillazione: spostando il dado dalla verticale, la componente della forza FTd diretta lungo la congiungente continua ad equilibrarsi con l’analoga componente della forza di reazione Fp-ris esercitata dal punto di sostegno, mentre la componente perpendicolare FTd-perp non è più allineata e funziona da forza di richiamo che riporta il dado verso il basso. Giunto sulla verticale, il dado prosegue per inerzia, la componente FTd-perp si inverte e funge di nuovo da richiamo nell’altro senso; • durante l’oscillazione, l’energia si trasforma periodicamente da energia di posizione (che è massima quando il pendolo si trova alla massima distanza dalla posizione di equilibrio) a energia di moto (che è massima quando il pendolo passa per la posizione di equilibrio, cioè di allineamento lungo la verticale) • il periodo dell’oscillazione dipende dalla distanza d fra i punti di applicazione delle due forze, cioè dalla lunghezza del pendolo: maggiore è la distanza, più lungo è il periodo. Oscillazioni-4b

7. La molla Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: molle con buona costante di elasticità oppure alcuni elastici di caucciù, bottiglia di plastica da 1,5 litri, contasecondi, bacchetta di sostegno • Attività: • riempire la bottiglia con 1 litro di acqua, agganciarla all’elastico di caucciù, appenderla alla bacchetta di sostegno e metterla in oscillazione; • inizialmente osservare semplicemente come oscilla, cercando di capire come avviene l’oscillazione e di individuare la forza di richiamo verso la posizione di equilibrio; • analizzare poi quali grandezze caratterizzano l’oscillazione e misurare il tempo di una oscillazione completa (periodo), misurando il tempo di 10 oscillazioni complete e dividendo per 10; • ripetere la prova con la bottiglia riempita con 1,5 litri; • ripetere la prova con due elastici messi in parallelo oppure in serie. • Concetti: • equilibrio e forza di richiamo verso la posizione di equilibrio, • moto oscillatorio, • periodo dell’oscillazione, • trasformazione/conservazione dell’energia Attacco (spunti e continuità): - la “magia” dell’oscillazione e dell’equilibrio • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia – La scienza in altalena – Schede di giochi e scienza - Editoriale Scienza, Trieste, 1999 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • scoprire le forze “di richiamo” e la loro relazione con la posizione di equilibrio; • scoprire le caratteristiche dell’oscillazione, in particolare la “periodicità”; • analizzare le trasformazioni dell’energia e la sua conservazione/dispersione Oscillazioni -5a

8. Feb Feb Feb FTb FTb La molla • La fisica: • forze in equilibrio: appendendo la bottiglia contenente acqua, l’elastico si allunga finché la forza Feb che l’elastico applica alla bottiglia e che è diretta verso l’alto equilibra la forza FTb diretta verso il basso; • oscillazione: spostando la bottiglia verso il basso, la forza Feb aumenta, perché aumenta l’allungamento dell’elastico, mentre la forza FTb rimane invariata; la differenza funziona da forza di richiamo che tende a riportare la bottiglia verso la posizione di equilibrio. Giunta alla posizione di equilibrio, la bottiglia prosegue per inerzia muovendosi verso l’alto, ma ora la forza Feb è minore e diminuisce man mano che diminuisce la lunghezza dell’elastico, per cui la differenza Feb - FTb si inverte e funge di nuovo da richiamo nell’altro senso; • durante l’oscillazione, l’energia si trasforma periodicamente da energia di posizione elastica (che è massima quando la bottiglia si trova alla massima distanza dalla posizione di equilibrio) a energia di moto (che è massima quando la bottiglia passa per la posizione di equilibrio); • il periodo dell’oscillazione dipende dalla massa della bottiglia: maggiore è la massa, più lungo è il periodo; • il periodo dipende anche dalla costante elastica della molla: maggiore è la costante elastica, più breve è il periodo; mettendo due elastici in parallelo, si aumenta la costante elastica, perché si irrigidisce l’elastico, e quindi il periodo diminuisce; l’opposto avviene con gli elastici in serie. FTb Contesto: - la conduzione dell’ attività in modo ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Oscillazioni-5b