Forza e interazione

1. Forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Attività 1) Tarare un elastico 2) Spingere e tirare 3) Far cambiare il “peso” 4) Usare una bilancia come dinamometro 5) Indagare le forze che agiscono su un corpo immerso 6) Misurare la spinta di Archimede e correlarla con il volume della parte immersa del corpo Concetti 1) Forza e interazione; la direzione della forza e il vettore forza; la misura della forza con uno strumento tarato 2) Azione e reazione; la forza di attrito 3) Massa e forza peso 4) Azione e reazione; la trasmissione delle forze 5) La spinta di Archimede: come agisce e quanto vale 6) La relazione fra la spinta di Archimede e il fluido “spostato” 1) Fionde e dinamometri 2) Piede contro piede 3) Una bilancia che funziona in uno strano modo 4) Giochi su una bilancia da bagno 5) Zavorre e galleggiamento 6) La spinta di Archimede 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” Forza e interazione-1

2. Forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 • Occhiello forza • forze ugualiproduconoeffetti uguali, • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti, • con ildinamometrosi misura una forza misurandol'allungamentoche essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico, • il dinamometro deve esseretaratomisurando gli allungamenti prodotti daforze note, • una forza nota è ad esempio la forza-peso che agisce su un nel SI, l'unità di misuradella forza è ilnewton(N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg. Consegna: tutto quello che si può fare con elastici, bastoncini, bilance da bagno, metro a nastro, palline e oggetti vari • Azione e reazione • le forzesono sempre "accoppiate"; se una persona/cosa fa forza (azione) su un'altra persona/cosa, quest'ultima applica a sua volta alla prima unaforza uguale e diretta in versoopposto (reazione), • azione e reazione sono perciòapplicate a due oggetti diversi • è importante, nel rappresentare le forze di azione-reazione mediante frecce, prestare molta attenzione alpunto di applicazionedi ciascuna forza, oltre che alla sua intensità e direzione: la freccia va posta con la “coda” il più vicino possibile al punto di applicazione, • nel comporre le forze applicate a un certo oggetto, in presenza di forze di azione e reazione, è importante tenere conto solo delle forze applicate a quell'oggetto e non delle forze di azione o reazione che quell'oggetto esercita su altri oggetti. • Massa e forza-peso • la massa è una caratteristica del corpo, legata alla “quantità di materia” che c’è nel corpo (numero e tipo di atomi) • la forza di gravità è la forza con cui il corpo è attirato dalla Terra: non può essere una caratteristica del corpo, perché, essendo l’espressione di una interazione, dipende dall’altro “attore” dell’interazione, cioè la Terra (sulla Luna, ad esempio, sarebbe diversa) • la forza peso è la risultante di tutte le forze che attirano il corpo verso il basso, quindi anche la forza peso non è una proprietà del corpo, • il termine “peso” è da evitarsi, perché ambiguo, dato che, nel linguaggio comune, può indicare sia massa che forza peso (così pure va evitato il termine “peso specifico” al posto di “densità”), • alla forza peso di un corpo immerso in un fluido contribuisce anche la spinta verso l’alto dovuta alla pressione del fluido, che è pari alla forza peso del fluido che la parte immersa del corpo sposta F 0,1 kg 9,8 m/s2 0,98 N 1 N 1 N è circa pari alla forza-peso di un oggetto di 102 g Forza e interazione-2

3. Fionde e dinamometri Forzadito-elastico Forzamano-bstoncino PED Fisica classe A059 Oggetti: un bastoncino robusto a forma di Y, un elastico, alcune palline di carta, un metro a nastro di carta e una serie di oggetti tutti uguali che si possano appendere facilmente • Attività: • tenere il manico della fionda con una mano, con l’altra tirare l’elastico stringendo la pallina • individuare i soggetti/oggetti dell’interazione • scegliere la giusta orientazione prima di lasciare andare la pallina • tarare in “newton” l’elastico della fionda per misurare la forza; a questo scopo: • - quando l'elastico è scarico, segnare sul nastro lo "zero" in corrispondenza della sua fine, • - appendere un oggetto (ad esempio, una bottiglietta piena d’acqua), • - segnare una prima tacca in corrispondenza della fine dell'elastico, • - una seconda tacca in corrispondenza di due oggetti appesi, e così via; • - ricordare di indicare sempre l'unità dimisura usata; • - organizzare i dati in una tabella e costruire il grafico di taratura • Concetti: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza una interazione, non un oggetto, • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono, • per individuare la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione, • la forza come vettore si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione, • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc.; forze uguali producono effetti uguali • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti • con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico  • nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg • sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con gli allievi perché può essere confusa con l’unità di misura della massa (kg) Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti attenzione alla presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o portatori di certi tipi di handicap Forza e interazione-3a

4. Fionde e dinamometri grafico di taratura PED Fisica classe A059 • La fisica: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono • per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione • la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc. • la forza si misura con un dinamometro tarato Esempio di dati e grafico di taratura di un elastico volume (ml) 0 100 200 300 400 500 forza (N) 0 1 2 3 4 5 lungh. (cm) 20 22 24,5 28 32 38 • Contesto e aspetti didattici: • - è importante che ogni ragazzo costruisca la propria fionda, perché l’appropriazione dell’oggetto comporta e favorisce l’appropriazione del concetto • la conduzione dell’attività “dare un nome alle forze” e la discussione circa la necessità della taratura dell’elastico è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare • la rappresentazione grafica dei dati raccolti (grafico di taratura) e la relativa interpretazione è consigliata per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore • con la taratura l'elastico diventa un dinamometro, tarato in unità di forza-peso degli oggetti appesi Forza e interazione-3b

5. Piede contro piede M G Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: un elastico robusto già tarato e due bilance pesa persona • Attività: • legare le due bilance schiena a schiena e appoggiarle a terra verticalmente • due studenti si siedono a terra e spingono coi piedi sulle due bilance mentre con le mani tirano l’elastico in verso opposto per ristabilire l’equilibrio • misurare le forze indicate dalle bilance e dall’elastico tarato • assegnare a queste forze il “nome” e la direzione • individuare quali altre forze intervengono Attacco (spunti e continuità): - gare di forza Sicurezza Utilizzando elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Concetti: • direzione delle forze • azione e reazione • forza di attrito “statico” • misura della forza • Riferimenti: • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998 • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • forze “visibili” (muscolari degli studenti) e “non visibili” (elastica, di gravità, studente-pavimento, pavimento-studente…) Forza e interazione-4a

6. Piede contro piede G M FM-mG FG-mM FM-pG FG-pM Fpav-G Fpav-M • La fisica: • le forze si trasmettono (dalla mano di una delle due, • attraverso l’elastico, alla mano dell’altra e dal piede • di una delle due, attraverso le bilance, al piede dell’altra) • azione e reazione: le forze sono uguali e contrarie, ma • applicate a persone diverse (FM-mG =-FG-mM , FM-pG =-FG-pM ) • ogni ragazza è in equilibrio perché interagisce con il pavimento con una forza che compensa la differenza fra la forza esercitata sui piedi e quella esercitata sulle mani • nell’interazione con il pavimento gioca un ruolo essenziale l’attrito statico • nota bene: perché un corpo sia in equilibrio occorre che la risultante delle forze applicate a quel corpo sia nulla (ad esempio, FG-mM + FG-pM + Fpav-M = 0, dove la somma è vettoriale) Contesto: - l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-4b

7. Una bilancia che funziona in uno strano modo Fdita-bottiglia FTerra-bottiglia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una bilancia da cucina, una bottiglietta, un dinamometro • Attività: • mettere la bottiglietta contenente acqua sulla bilancia e pesarla • sollevarla lentamente tenendola per la cima e osservare come cambia il “peso” • sollevarla tenendola con un dinamometro e misurare allo stesso tempo la forza che il dinamometro registra e la variazione di forza peso • individuare tutte le forze che agiscono sulla bottiglietta mentre la si solleva Attacco (spunti e continuità): - gare di forza • Concetti: • massa e forza peso • la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia ) • Riferimenti: • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998 • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 • www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • individuare tutte le forze • distinguere fra massa e forza peso Forza e interazione-5a

8. Una bilancia che funziona in uno strano modo Fdita-bottiglia FTerra-bottiglia • La fisica: • massa e forza peso • la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia ) • questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani) • le forze si compongono (somma vettoriale, cioè somma che tiene conto della direzione) • le forze si trasmettono (in questo caso dalla bottiglietta alla bilancia) • nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 102 g di massa corrisponde circa 1 N! Contesto: - la conduzione dell’ attività, a livello qualitativo, è fattibile a partire dalla prima media - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-5b

9. Giochi su una bilancia da bagno F……. Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Felastico-ragazzo F……. Oggetti: due bilance da bagno, un elastico tarato, una riga pieghevole FTerra-ragazzo • Attività: chiedere • a due studenti di salire ciascuno su una bilancia da bagno e di “leggere” la propria massa e convertirla in unità di forza • a uno di loro di tirare verso il basso l’elastico, che l’altro sta invece tirando verso l'alto • di leggere nuovamente la propria massa e convertirla in unità di forza • confrontare la variazione con la forza applicata dall’elastico Attacco (spunti e e continuità): attività ludiche in coppia Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Concetti: • in un oggetto solido le forze si trasmettono da un punto all'altro mantenendo la loro direzione • azione e reazione • composizione delle forze Riferimenti: - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998 - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • nel rappresentare mediante frecce le forze che si trasmettono, prestare molta attenzione a indicare correttamente i punti di applicazione, la direzione, l‘ origine e il destinatario di ciascuna forza Forza e interazione-6a

10. Giochi su una bilancia da bagno F el-amica F el-ragazzo FTerra-amica F Terra-ragazzo • La fisica: • la massa dei due ragazzi non cambia quando tirano l’elastico, cambia invece la • loro forza peso perché si trovano a “interagire” fra di loro attraverso l’elastico • (Felastico-ragazzo, Felastico-amica ) oltre che con la Terra (FTerra-ragazzo, FTerra-amica) • questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni • che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani) • le forze si compongono; la somma è vettoriale, cioè tiene conto della direzione: • Fpesoragazzo = FTerra-ragazzo- Felastico-ragazzo; Fpesoamica = FTerra-amica+ Felastico-amica • usando un elastico tarato, si può verificare che la “nuova” forza peso è uguale alla precedente più (o meno) la forza F corrispondente all’allungamento dell’elastico (F=Felastico-ragazzo= Felastico-amica) • le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di uno dei due, attraverso l’elastico, alla mano dell’altro) • azione e reazione • nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 102 g di massa corrisponde circa 1 N! Contesto: -l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-6b

11. Zavorre e galleggiamento livello dell’acqua all’esterno Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti:bicchieri o recipienti trasparenti tutti uguali, in cui mettere il materiale da esaminare, materiali vari (per esempio sabbia, pongo , biglie di vetro…), bilancia, nastro adesivo, cilindri graduati • Attività: • tarare i recipienti o i bicchieri • mettere nel recipiente una certa quantità di sabbia o le biglie e pesarlo • immergerlo in una vaschetta contenente acqua e segnare il livello della parte immersa • immergere nella vaschetta il recipiente identico e, tenendolo verticale, versare acqua fino a quando risulta immerso allo stesso livello del recipiente con gli oggetti; • estrarlo e pesarlo: dovrebbe avere lo stesso peso dell’altro recipiente Attacco (spunti e continuità): - esperienze sul galleggiamento • Concetti • spinta di Archimede: la spinta verso l’alto è pari alla forza-peso del liquido spostato, che è pari alla forza-peso dell’oggetto, dato che l’oggetto galleggia; Riferimenti: - L. Pizzorni – Il manuale del giovane scienziato - Fabbri Editori, 1984 - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 - G. Rinaudo et al. – Dossier Scienze (Piano Pluriennale di Aggiornamento sui Nuovi Programmi per la Scuola Elementare), IRRSAE Piemonte, SEI, 1989 - www.iapht.unito.it • Aspetti didattici: • individuare tutte le forze • rappresentare le forze mediante frecce Forza e interazione-7a

12. Zavorre e galleggiamento La fisica: - il galleggiamento e la spinta di Archimede: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l’alto pari alla forza peso del liquido spostato > se galleggia, il corpo sposta un volume di liquido sufficiente per equilibrare la propria forza peso senza immergersi completamente; > le biglie o la sabbia spostano un volume di liquido sufficiente per equilibrare la forza peso del corpo grazie all’aria contenuta nel recipiente (principio della barca) - il dilemma: massa, peso, o forza peso? Sulla bilancia infatti misuriamo delle masse, ma l’equilibrio è tra la forza peso del corpo immerso e quella del liquido spostato: si assume che, se le forze peso sono uguali, anche le masse siano uguali Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello 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 Forza e interazione-7b

13. La spinta di Archimede Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: bilancia a due bracci, pesiera, pongo, un bicchierino di plastica, una clip, cilindro graduato, dinamometro, acqua • Attività: • costruire un oggetto di pongo, inserendo al suo interno la clip in modo da realizzare un gancio per sospenderlo, • misurarne il volume per immersione nel cilindro graduato, • sospendere (utilizzando del filo) l’oggetto sotto uno dei piattelli e su questo porre il bicchierino vuoto, • equilibrare la bilancia, • immergere l’oggetto nell’acqua e, dopo aver osservato che l’equilibrio risulta alterato, ripristinarlo versando dell’acqua nel bicchierino, • misurare il volume dell’acqua versata nel bicchierino. • Con il dinamometro misurare direttamente la spinta che l’oggetto immerso riceve dall’acqua • Concetti • spinta di Archimede: la spinta verso l’alto è pari alla forza-peso del liquido spostato, che è pari alla forza-peso dell’oggetto se l’oggetto galleggia • Aspetti didattici: • la relazione tra galleggiamento e densità relative al liquido di immersione • la densità come “caratteristica di una sostanza” Riferimenti: - M. Michetti – Guida al Laboratorio di fisica – Canova, 1989 - www.iapht.unito.it Attacco (spunti e continuità): - esperienze sul galleggiamento Forza e interazione-8a

14. La spinta di Archimede • La fisica: • - il galleggiamento e la spinta di Archimede: un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l’alto pari alla forza peso del liquido spostato • - se il corpo galleggia, la forza peso del liquido spostato è pari alla forza peso del corpo (zavorra) immerso e quindi anche la massa del liquido spostato è uguale alla massa del corpo • la massa del liquido spostato è pertanto pari alla massa del corpo • il volume del liquido spostato è invece maggiore del volume del corpo • - il dilemma: massa, peso, o forza peso? Sulla bilancia infatti misuriamo delle masse, ma l’equilibrio è tra la forza peso del corpo immerso e quella del liquido spostato: si assume che, se le forze peso sono uguali, anche le masse siano uguali Contesto: - la conduzione dell’ attività a livello 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 Forza e interazione-8b