Moto di una Sferetta in un Fluido

1. Moto di una Sferetta in un Fluido Liceo Scientifico “Belfiore” - Mantova Classe 3^C a. s. 1999/2000

2. Indice • Scopo dell’Esperimento • Materiali usati • Metodo usato • Risultati e loro analisi • Conclusioni • Il gruppo di lavoro

3. Scopo dell’Esperimento • Studiare il moto di un corpo sferico che cade in un fluido • Forze agenti: • Spinta di Archimede • Forza-peso della sferetta • Forza di attrito viscoso del fluido

4. Materiali Usati • Tubo • Sferette • Bilancia elettronica • Calibro e cilindro graduato in vetro • Elettromagnete • Alimentatore • Telecamera • Acqua, Alcool, Aria • Lampada Stroboscopica • Barre di legno tarate in cm • Macchina Fotografica • Supporto con panno nero

5. Tubo in Policarbonato • Costruito apposta per l’esperimento • In policarbonato: plastica con grande trasparenza, buona resistenza meccanica e non ingiallisce nel tempo • Altezza: 1,50 m • Diametro interno: 5 cm Click sulla foto

6. Sferette • Di diverse dimensioni • Di metallo per consentire lo sgancio elettromagnetico, di plastica e polistirolo per le prove in aria • Dipinte di bianco per una maggiore visibilità

7. Bilancia elettronica • Professionale • Tarata al centesimo di grammo • Utilizzata per misurare le masse delle sferette

8. Calibro e Cilindro Graduato • Calibro: • Sensibilità: 10-1mm • Utilizzato per tutte le misure di diametri: sferette e cilindro. • Di materiale metallico • Per le sferette più piccole è stato usato anche un palmer • Cilindro graduato: • 250 ml • In vetro

9. Elettromagnete • Nucleo di ferro dolce • Bobina di filo di rame • Applicata una corrente elettrica che crea un campo magnetico così trattenendo la sferetta Click sulla foto per ingrandire

10. Alimentatore • Corrente continua in uscita • Tensione: 3V • Permette all’elettromagnete di funzionare

11. Telecamera • Sony Handycam CCD-TR680E • Tecnologia Hi-8 con separazione del colore dalla luminosità • Audio Stereo • Program AE per regolare il periodo dei fotogrammi

12. Acqua, Alcool, Aria • I tre fluidi utilizzati nell’esperimento • Diversi coefficienti di attrito viscoso: A 20°C: acqua=0,100·10-2 N·s/m² aria=0,023·10-2 N·s/m²

13. Lampada Stroboscopica • La lampada stroboscopica è una lampada alogena che emette un lampo a intervalli regolari, secondo una frequenza impostata • La gamma di frequenze è: 0-200kHz • La sensibilità è 0,5 Hz

14. Barre di Legno • Sono tarate in cm • Poste a lato del cilindro, sono state usate nelle foto e nei filmati registrati per misurare le distanze percorse dalle sferette Click sulla foto

15. Macchina Fotografica • Possibilità di mantenere l’otturatore aperto a piacere • Utilizzo di rullini di diverse qualità per diverse rese • Uso di un cavalletto

16. Metodo Usato • Filmato e misurazione dati fotogramma per fotogramma • Fotografia con otturatore sempre aperto e: • Stroboscopio • Lampada stroboscopica

17. Fotografia-tipo del Moto

18. Risultati e loro analisi • Tabella dei dati • Grafico spazio-tempo • Grafico velocità-tempo • Analisi teorica del moto

19. Tabella dati

20. Grafico Spazio-Tempo

21. Grafico Velocità-Tempo Click sul grafico

22. -6rv S v mg Analisi Teorica del Moto • Forze agenti: forza-peso, spinta di Archimede, forza d’attrito • Forza d’attrito VISCOSO: F = -  K v • Legge di Stokes • Se le forza risultante diviene nulla, l’accelerazione è nulla  velocità di regime

23. Fa = -  K v •  = coefficiente di viscosità del fluido (dipende dal fluido e dalla sua temperatura) • K = lunghezza che caratterizza la forma dell’oggetto  vedi Legge di Stokes per le sferette • V = velocità istantanea dell’oggetto in moto

24. Legge di Stokes • Stokes: fisico irlandese (1819-1903) • Riguarda il moto di una sferetta in un fluido, in regime laminare • La lunghezza caratterizzante la sferetta è: K = 6  r

25. Conclusioni • Il moto non è uniforme, né uniformemente accelerato, e a ben guardare non del tutto rettilineo • Dopo un certo tempo la sferetta sembra viaggiare a velocità costante: ipotizziamo che la risultante delle forze agenti sia nulla • Un’analisi più accurata richiederebbe l’adozione di un regime turbolento, che tuttavia complicherebbe notevolmente l’analisi

26. Il Gruppo di Lavoro • La classe 3^C del Liceo Scientifico “Belfiore” di Mantova: • Lorenzo Fusari • Glauco Gerelli • Giulio Girondi • Emanuele Goldoni • Giovanni Inglisa • Gabriele Leoni • Chiara Mantovani • Davide Melfi • Federico Perini • Matteo Tencani • Alessandro Tonelli • Eleonora Zanasi • Il prof. Luigi Togliani La realizzazione del CD e la presentazione multimediale sono a cura di Federico Perini. Le riprese con la videocamera sono a cura di Federico Perini ed Alessandro Tonelli.