Le proprietà fisiche dei corpi unità didattica completa per bambini della scuola primaria, con idee per le lezioni ed esperimenti scientifici per dimostrare i concetti.
Se domandiamo ai bambini cosa si intende per corpo, ci sentiremo rispondere: “Cose come la cattedra, la lavagna, il banco, sono corpi”. I bambini classificano per tipi e non per definizioni, ma se ci pensiamo anche lo scienziato si serve di questo tipo di classificazione quando non ha ancora colto i caratteri essenziali specifici di una determinata serie di oggetti.
Se poi chiediamo ai bambini se il pensiero, la bontà, la giustizia, la verità, sono corpi, ci risponderenno di no, perchè non si vedono: i bambini pensano che un corpo deve essere percepito dalla vista; questo spiega perchè trovino difficile considerare l’aria un corpo.
Tuttavia è semplice spiegare loro che il carattere di “visibile” non è sufficiente a designare il “corpo”, e basterà far osservare loro che, per esempio, la luce che emana da una lampadina elettrica, o da una qualsiasi altra fonte luminosa, anche se si vede, evidentemente non è un corpo.
Tornando a chiedere ai bambini cosa si intende con “corpo”, i bambini diranno che un corpo si deve poter toccare, deve essere in qualche modo percepito col tatto. “Ma allora è un corpo il calore che emana dalla stufa, dal sole, da qualsiasi altra fonte di calore?”. A questo ulteriore stimolo, i nostri piccoli scienziati cercheranno espressioni più precise, ad esempio diranno che un un corpo si deve poter prendere in mano, perchè se stringo la mano in una stanza luminosa non afferro nulla, puure non posso portare un pezzo di calore da un luogo all’altro come posso fare con un pezzo di legno o di ferro.
In questo modo ci stiamo avvicinando alla realtà un passo alla volta, ma non l’abbiamo ancora raggiunta. A questo punto ancora il bambino non potrà credere che l’aria sia un corpo, perchè non si può (o meglio non di si accorge di potere) stringere nella mano.
Le proprietà fisiche dei corpi
Primo esperimento
Prendiamo una bilancia e proviamo a spiegargli il grande mistero: mettiamo su uno dei piatti una moneta, una pallina, una riga, una matita, e la bilancia perderà costantemente il suo equilibrio, obbligandoci, per ristabilirlo, a gettare un peso corrispondente sull’altro piattello.
Ripesiamo ora attentamente la moneta (o meglio ancora, se l’abbiamo, una sfera di metallo). Poi togliamola dalla bilancia, facciamola riscaldare e rimettiamola sul piatto: rimessa sul piatto il suo peso sarà identico a prima.
Pesiamo ora una torcia elettrica spenta, e poi ripesiamola accesa: anche in questo caso i due pesi saranno identici.
La luce e il calore non sono corpi perchè non hanno un peso, o meglio non hanno un peso controllabile da alcuna bilancia, per quanto precisa essa sia. La precisazione è dovuta, in quanto la fisica afferma l’equivalenza tra massa ed energia, e questo conduce teoricamente ad affermare che anche calore e luce hanno un peso (un chilogrammo di ghiaccio pesa lievemente meno dell’acqua che risulta dalla sua fusione). Ma si tratta di differenze talmente minime e imponderabili anche con le più sensibili bilance di precisione che, per non portare i bambini nel campo dell’indimostrabile (che per loro equivarrebbe a incredibile), non è un gran male mantenere provvisoriamente questo vecchio carattere distintivo della fisica classica, aggiungendo che quel “non peso” è legato agli strumenti di cui noi disponiamo per controllarlo, e al nostro senso barico.
Quello che possiamo definire come “corpo” ha un peso avvertibile dal nostro senso barico, o almeno da strumenti che lo sostituiscono. Naturalmente un corpo può essere percepito anche con gli altri sensi: visivo, uditivo, olfattivo, gustativo, termico; ma l’essenziale sarà sempre che cade sotto il senso barico e, quando ciò non è possibile per le dimensioni o la lontananza dal corpo, o impossibile da controllare per l’insufficiente finezza del senso, bisognerà comunque dimostrare, per effetti, che esso pesa.
Con questo criterio, il bambino non sbaglierà più, mentre altre definizioni di “corpo”, come “corpo è tutto ciò che cade o può cadere sotto il dominio dei sensi”, oppure “corpo è una porzione di materia collocata nello spazio”, possono confonderlo: la prima può portarlo a credere che siano corpi anche la luce, il calore e il suono; la seconda, rigorosamente scientifica, è superiore in questa prima fase alla sua capacità di astrazione.
Stabilito questo primo carattere dei corpi, non ci sarà molto difficile fargli notare che essi possono presentarsi sotto diversi stati, anzi che uno stesso corpo può passare dall’uno all’altro di questi stati per effetto di un aumento o di una diminuzione di calore. Non è ancora il momento di dirgli che anche la pressione può essere causa di cambiamento.
I corpi che i bambini ci hanno nominato di primo acchito (cattedra, lavagna, banco) sono corpi che hanno una forma propria ed occupano perciò uno spazio determinato e invariabile. Ma ve ne sono altri che, pur avendo un volume costante, cioè occupando una stessa quantità di spazio, variano di forma, a seconda del recipiente che li contiene: un litro di acqua, o di latte, o bibita, è sempre un litro, ma assume forma conica, cilindrica, prismatica a seconda del recipiente che lo contiene.
C’è inoltre una terza categoria di corpi che non hanno ne forma ne volume costanti, ma, assumendo la forma del recipiente che li contiene, non giungono, come i liquidi, ad un determinato livello, bensì lo occupano tutto, per grande che sia, e tendono ad espandersi in uno spazio sempre maggiore, così che, aprendo il recipiente che li contiene, essi ne escono fuori.
Le proprietà fisiche dei corpi
Secondo esperimento
Mettiamo in una bottiglietta qualche cristallo di iodio (se non si trova in farmacia, si può acquistare la tintura di iodio, versarla in un piattino di plastica e lasciare evaporare a temperatura ambiente la base alcolica: sul piattino si formeranno i cristallini di iodio) chiudiamo ermeticamente per evitare le fuoriuscita dei vapori, e facciamolo riscaldare: magnifiche colorazioni rosso-violacee, cioè vapori di iodio, riempiranno la bottiglia. Mettiamo la stessa quantità di iodio in una seconda bottiglie, di forma e dimensioni diverse: quelle stesse colorazioni riempiranno tutto la bottiglia, mentre la quantità di liquido che serve a riempire la bottiglietta non sarà naturalmente mai sufficiente a riempire anche la bottiglia.
Se tutti i gas si vedessero, come i vapori di iodio, e se avessero tutti un odore, il bambino si convincerebbe facilmente della loro esistenza. Ma quando gli parliamo dell’aria, il bambino avrà dei dubbi: nessuno dei suoi sensi riceve da essa qualche impressione, che possa fargli ritenere che l’aria è un corpo, e molto meno quella sensazione barica che ha imparato a ricercare come primo contrassegno dei corpi.
Facciamogli capire, prima di tutto, quanto peso esercita una pressione, e che il peso altro non è che la pressione esercitata da un corpo su un altro che gli impedisce di cadere.
Le proprietà fisiche dei corpi
Terzo esperimento
Prendiamo un bicchiere pieno d’acqua e facciamo il classico esperimento di capovolgerlo su un foglietto di carta (una cartolina va benissimo) fatto prima aderire perfettamente all’orlo del bicchiere: l’acqua non si versa.
Evidentemente c’è una forza che sostiene l’acqua, qualcosa al di fuori deve esercitare una pressione sul foglio di carta, superiore al peso dell’acqua contenuta nel bicchiere, e, poichè non c’è altro che aria sotto il bicchiere, l’aria soltanto può essere la causa del fenomeno.
Le proprietà fisiche dei corpi
Quarto esperimento
Prendiamo una bottiglia dal collo largo e non lavorato, e dopo averne rarefatto l’aria con la combustione di un pezzo di carta (la carta bruciando consuma l’ossigeno dell’aria in essa contenuto), collochiamo rapidamente alla sua imboccatura, come un turacciolo, un uovo sodo sgusciato.
Lo vedremo presto allungarsi, assottigliarsi e infine precipitare, con una piccola detonazione, sul fondo della bottiglia. Chi ha esercitato sull’uovo un peso capace di operare il prodigio? L’aria, nient’altro che l’aria.
Ora proviamo a dare ai bambini l’idea del peso che l’atmosfera esercita su tutti i corpi, proponendo l’esperimento del Torricelli.
La realizzazione dell’esperimento prevede l’uso di un tubo barometrico e di mercurio. Si riempie il tubo di mercurio, si versa altro mercurio in una scodella, si chiude col pollice il tubo e si capovolge tenendolo chiuso fino a portare il foro al di sotto del mercurio contenuto nella scodella:
Si osserva che, liberando l’apertura, il mercurio scenderà nel tubo di circa 24 cm. Chi è che sostiene il peso della colonnina alta circa 76 cm che vi rimane sospesa, contrariamente a quanto il bambino si attenderebbe dovesse avvenire per effetto della gravità?
L’aria; nient’altro che l’aria che preme sul mercurio della scodella.
Le proprietà fisiche dei corpi
Poichè l’esperimento prevede l’uso di mercurio, possiamo mostrare ai bambini un video:
E anche se non vogliamo fare ora il semplice calcolo del peso di quella colonnina di mercurio, corrispondente a quello della pressione atmosferica, rimandandolo alle lezioni riguardanti la meccanica degli aeriformi, da cui sapremo di reggere sulla testa il bel peso di oltre due quintali, potremo sempre darne un’idea al bambino versando il contenuto del tubo barometrico in un recipiente qualsiasi ed invitandolo a reggere quel recipiente.
Non c’è alcun dubbio che l’aria pesi un peso controllabile e misurabile, e che debba perciò essere considerata a tutti gli effetti un corpo.
Ma il bambino si porrà a questo punto una nuova domanda: “Se l’aria pesa, e pesa così considerevolmente su ogni porzione della superficie del nostro corpo come pesa sul mercurio, come mai non ci schiaccia?”
Rifacciamo l’esperimento dell’uovo sodo che funziona come tappo della bottiglia, ma senza consumare l’ossigeno dell’aria in essa contenuta (non bruciamo la carta al suo interno): l’uovo vi resterà immobile nella sua funzione di tappo.
Ricordiamo l’esperimento della cartolina che, sostenuta dall’aria, sosteneva l’acqua contenuta nel bicchiere capovolto. Per dimostrare la pressione dell’aria dall’alto al basso (che è quella a cui noi diamo il nome di peso) occorre eliminare quella dal basso verso l’alto, altrimenti, sollecitato da due forze contrarie, l’uovo non obbedisce a nessuna delle due.
Allo stesso modo, se due bambini spingono con uguale forza un banco, uno verso destra e l’altro verso sinistra, il banco rimarrà dov’è, non si accorgerà nemmeno di essere spinto.
Le proprietà fisiche dei corpi – Il “trasformismo” della materia
Dicendo che i corpi possono presentarsi sotto tre aspetti diversi, abbiamo già accennato ai bambini che uno stesso corpo può assumere l’uno o l’altro di questi aspetti: l’esempio più facile è quello dell’acqua che, sottoposta ad un notevole raffreddamento, solidifica, mentre sottoposta all’azione del calore si trasforma in vapore acqueo.
Con grande meraviglia dei bambini potremo fabbricare, seduta stante, del ghiaccio artificiale, mettendo un po’ di acqua in una provetta e immergendola in un miscuglio frigorifero (ad esempio neve mista a sale).
Ma potremo anche partire dallo stato solido per arrivare al liquido e all’aeriforme, servendoci della cera o di qualsiasi altro corpo facilmente fusibile con un fornelletto.
Le proprietà fisiche dei corpi – Proprietà classiche dei corpi
Stabilito ormai che cosa si intenda per corpo, quali siano gli aspetti sotto cui i corpi possono presentarsi, e come ciascuno di essi possa assumere l’uno o l’altro dei tre stati della materia arriveremo a ricercare coi bambini quali siano i caratteri propri a tutti i corpi, e quali invece siano propri solo a quelli che si trovano in un determinato stato della materia.
Una proprietà comune a tutti l’abbiamo già incontrata, ed è il peso, ma ce n’è un’altra, intuitiva, che il bambino ha già implicitamente osservato e che già faceva capolino, nei sui primi tentativi di definizione di corpo, quando diceva che il corpo deve potersi “toccare”.
Questo toccare, almeno nei corpi solidi, equivale per il bambino ad isolare il corpo nello spazio, a limitarlo per mezzo della superficie, a verificare quanto si stende in lunghezza, in larghezza, in profondità. Se il bambino lo leva dal luogo dov’è collocato, lo spazio che occupava si confonde con lo spazio circostante non occupato da oggetti, ma, se il corpo potesse lasciare una traccia nello spazio, il bambino potrebbe avere davanti a sè, ben definita, la porzione di spazio precedentemente occupata dal corpo: questa porzione si chiama volume, e la proprietà del corpo di occupare quello spazio si chiama estensione.
Che anche i liquidi occupino uno spazio è intuitivo e non c’è bisogno di alcun esperimento particolare. Un liquido che riempie un recipiente occuperà tanto spazio quanto ne occupa il recipiente, eliminato lo spessore delle pareti del recipiente stesso.
Degli aeriformi potremo dire la stessa cosa se li consideriamo in recipienti chiusi, e potremo perciò richiamarci all’esperimento dei vapori di iodio; ma, anche immaginando di stappare i recipienti, essi occuperanno sempre tutto lo spazio disponibile.
Le proprietà fisiche dei corpi
Quinto esperimento
Diciamo ora ai bambini di mettere un libro nello spazio preciso occupato da un altro libro: per farlo i bambini dovranno levare quello che già si trova in quello spazio per collocarvi l’altro che noi gli abbiamo indicato.
Facciamo gettare ai bambini un sasso in un bicchiere pieno d’acqua, e un po’ d’acqua (tanta quanta corrisponde al volume del sasso) uscirà dal bicchiere.
Se il bicchiere non è pieno d’acqua e vi immergiamo un corpo qualsiasi, l’acqua si sposterà per lasciar posto al corpo, elevando il suo livello nel recipiente.
Se in una scodella piena di latte vogliamo versare dell’acqua, i due liquidi potranno mescolarsi, ma una parte del miscuglio dovrà traboccare dagli orli della scodella.
Questa proprietà generale della materia per cui nessun corpo può occupare la porzione di spazio già occupata da un altro corpo, si dice impenetrabilità, e si può sperimentare in tantissimi modi.
E’ però facile che il bambino non creda all’impenetrabilità dei gas, e in particolare dell’aria, perchè, mentre l’aria è dappertutto, noi ci muoviamo al suo interno liberamente. Possiamo allora ricordargli, per analogia, quello che succede quando si tuffa in piscina: l’acqua si sposta al suo passaggio, si apre davanti a lui e si richiude dietro di lui, ma dove si stende il suo corpo non può contemporaneamente stendersi l’acqua. Nella vasca da bagno si può vedere l’acqua che si alza di livello quando ci immergiamo, ma questo fenomeno non è visibile in piscina, o al mare, perchè lo spazio occupato dal nostro corpo è infinitesimo in rapporto alla loro estensione.
Ebbene, ciò che avviene nell’acqua avviene anche nell’aria; essa si sposta al suo passaggio; si apre davanti a noi, si richiude dietro di noi, ma dove si trova il nostro corpo non ci può essere contemporaneamente aria.
Le proprietà fisiche dei corpi
Sesto esperimento
Per convincere praticamente i bambini che dove c’è un corpo non ci può essere aria, o meglio ancora, reciprocamente, che dove c’è aria lo spazio non può essere occupato da un altro corpo, possiamo fare un semplice esperimento.
Prendiamo una ciotola trasparente d’acqua e cerchiamo di mettere sul pelo dell’acqua un bicchiere vuoto capovolto: il livello dell’acqua nel bicchiere sarà uguale a quello dell’acqua presente nella ciotola.
Ma se premendo e inclinando il bicchiere faremo uscire le bolle d’aria in esso contenuta, l’acqua salirà dentro di esso per un buon tratto.
L’acqua non poteva entrare nel bicchiere finchè vi era aria, perchè l’aria, come tutti i corpi, è impenetrabile.
Mettiamoci ora alla ricerca di qualche altra proprietà generale della materia. Se prendiamo un po’ di chicchi di caffè e li maciniamo, otterremo da ogni chicco un numero grandissimo di granelli. Ma ognuno di quei granelli è ben lontano da rappresentare la più piccola parte in cui quel corpo solido si può suddividere.
Se mettiamo un po’ di zucchero o un po’ di sale in un bicchiere d’acqua, queste sostanze si divideranno e si suddivideranno in parti così minime che non ci sarà più possibile afferrarne con l’occhio l’esistenza.
Se soffiamo con forza in uno spruzzatore, o schizziamo fuori l’acqua da una peretta di gomma, essa si suddividerà in una quantità di minutissime goccioline, e così avverrebbe per qualsiasi altro liquido.
Questa possibilità di dividersi in parti piccolissime si chiama divisibilità, ed è anch’essa una proprietà di tutti i corpi.
La più piccola parte ottenibile da queste divisioni si chiama atomo, da una parola greca che vuol dire appunto “indivisibile”. Questo “indivisibile” non è affatto indivisibile, ma ci conviene per il momento considerarlo come tale. Che esso sia effettivamente tale dal punto di vista chimico, ma che, viceversa, lo si debba pensare fisicamente divisibile, e che ciò sia stato confermato praticamente con la divisione dell’atomo, in questa prima fase di osservazione dei fenomeni della natura è prematuro da affrontare. Rimandiamo queste nozioni ad un secondo momento. La momentanea “ignoranza” non costituisce però ne un errore (in quanto l’atomo scisso non rappresenta più il corpo semplice, o elemento, che eventualmente volessimo considerare), ne un ostacolo alla comprensione dei fenomeni che ci prepariamo a spiegare.
Questi atomi, dunque (a cui, del resto, neppure il fisico ha cambiato il nome), si riuniscono in piccoli gruppi detti molecole per effetto di una reciproca attrazione, e le molecole a loro volta si attraggono a formare il corpo; se si respingessero, il corpo, evidentemente, non starebbe unito, ma ogni particella se ne andrebbe per suo conto nello spazio. E’ ciò che avviene, in parte, nei corpi aeriformi, che in quella loro tendenza ad espandersi, mentre provano la loro divisibilità, mostrano di essere forniti di ben poca attrazione tra le particelle che lo costituiscono, attrazione che è anch’essa una proprietà della materia e prende più propriamente il nome di coesione.
L’aver ammesso che i corpi sono formati da particelle piccolissime di materia ci conduce ad un’altra interessante considerazione. Le particelle che formano un corpo sono saldate, fuse insieme? Oppure, nella loro attrazione reciproca, le particelle mantengono una certa distanza tra loro in modo da formare nel corpo degli spazi invisibili tra loro?
Tutto induce a ritenere esatta la seconda supposizione, evidentissima per gli aeriformi, ma non evidente nei solidi e nei liquidi se non con l’aiuto di qualche esperimento.
Le proprietà fisiche dei corpi
Settimo esperimento
Se metto dell’acqua all’interno di un recipiente di terracotta non verniciato e osservo, dopo poco tempo la superficie esterna di esso, vi noterò minutissime goccioline che ne inumidiscono tutta la superficie. Ma come può essere uscito il liquido dal vaso che io non ho toccato? Evidentemente esso si è fatto strada attraverso piccoli spazi che io non vedo osservando la terracotta, e che si chiamano pori.
I membri di un’accademia scientifica, l’Accademia del Cimento, vollero un giorno (circa 3 secoli e mezzo fa) provare se il volume di una certa quantità di acqua fosse comprimibile. Fecero fare per questo una bella sfera d’argento fuso, la riempirono d’acqua, la chiusero ermeticamente, poi si dettero a percuoterla con dei martelli, per ridurre, ammaccandola, il volume della sfera, e con esso il volume dell’acqua. Ma non le avevano ancora prodotta alcuna ammaccatura, che la sfera si era tutta ricoperta di goccioline d’acqua, le quali, evidentemente, erano trapelate attraverso i pori dell’argento. Essi ne dedussero che l’acqua non fosse comprimibile, e si sbagliarono (la scienza è poi riuscita a ridurre il volume dell’acqua a meno della metà sotto una pressione di cinquantamila atmosfere), ma dimostrarono intanto certamente una proprietà dell’argento, condivisa anche da ogni altro corpo solido, e cioè la porosità.
Questa stessa caratteristica detta porosità si può trovare facilmente anche nei liquidi, riempendo d’acqua a metà circa un vasetto di vetro, quindi versandovi sopra, con molta cautela e fino a riempimento dell’alcol colorato che, per la sua leggerezza maggiore di quella dell’acqua, dovrà stare a galla. A questo punto chiudiamo il vasetto con un tappo attraversato da una cannuccia trasparente, e introduciamo nella cannuccia altro alcol colorato fino a un certo livello. Agitando il vaso, l’alcol e l’acqua si mescoleranno e il livello del liquido nella cannuccia discenderà, dimostrandoci una riduzione di volume.
Poichè abbiamo già dimostrato l’impenetrabilità della materia, non si potrà risolvere altrimenti il problema se non supponendo che i due liquidi siano penetrati reciprocamente l’uno nei pori dell’altro.
Le proprietà fisiche dei corpi
Ottavo esperimento
Per dimostrare una proprietà dei corpi detta variabilità di volume, in genere si usa per i solidi l’anello di Gravesande,
photo credit http://museo.liceofoscarini.it/
per i liquidi e gli aeriformi un’ampolla di vetro apposita che presenta un’imboccatura a forma di tubo di piccolo calibro, in cui si introduce, a seconda dei casi, un liquido colorato o un gas, che dovrà, aumentando di volume, spingere in alto una goccia di mercurio contenuta nel cannello.
Ma si possono fare le stesse esperienze senza questi apparecchi.
Le proprietà fisiche dei corpi
Esperimento
Si prende un bicchiere; si appoggia sull’apertura del bicchiere un foglio di cartoncino rigido, e in questo si pratica un taglio lungo perfettamente quanto il diametro di una moneta e largo quanto la costa della medesima, in modo che essa, infilata nel taglio, cada nel bicchiere come dentro a un salvadanaio. Togliamo la moneta, riscaldiamola, e vedremo che la moneta non passerà più nel taglio, e dimostrerà così di essere aumentata di volume.
Come potremo convincere il bambino che questo apparente aumento di materia non è che un allungamento degli spazio intermolecolari e interatomici, un allontanamento tra particella e particella che costituiscono il corpo, e non un accrescimento della sostanza di cui il corpo è composto? Semplicemente pesando la moneta riscaldata e mostrando che nell’aumento di volume non subisce alcun aumento di peso verificabile.
La variabilità di volume nei liquidi o negli aeriformi può essere dimostrata facilmente con una bottiglietta qualsiasi tappata da un tappo entro il quale si è infilata una cannuccia trasparente. Per i liquidi si introduce dell’acqua colorata in modo che il livello superi l’imboccatura della cannuccia: riscaldando l’acqua, essa corre su per la cannuccia mostrando con evidenza l’aumento di volume.
Per i gas lasciamo lasciamo all’imboccatura di base della cannuccia una gocciolina di acqua colorata: scaldando l’aria contenuta nella bottiglia, la goccia d’acqua salirà rapidamente lungo il tubo.
Passiamo ad un altro ordine di osservazioni: ce ne offre l’occasione il gioco della palla. Battendo sul terreno la palla si schiaccia, cioè ne tocca la superficie orizzontale non in un punto, come avviene se io la poso delicatamente a terra, ma per un’estensione circolare che potrei anche ottenere annerendo il piano, ad esempio, con del nerofumo.
Quando poi la palla ci rimbalza nuovamente tra le mani, è ancora perfettamente rotonda, e non porta nessuna traccia della deformazione.
Prendiamo un elastico: tirandolo si allunga e cessando la trazione torna alla lunghezza originaria.
Questa proprietà per cui i corpi riprendono la forma o il volume primitivo quando cessa la causa di alterazione su di essi, si chiama elasticità.
Prendiamo la lama di un coltello ed incurviamola: cessando di esercitare questa forza la lama torna rettilinea. Attorcigliamo due funi legate ad uno stesso corpo pesante che faremo girare rapidamente: e le funi torneranno a dividersi non appena cesseremo di costringere il peso a ruotare nella direzione da noi voluta.
Anche se non vogliamo ora parla di elasticità alla compressione, alla tensione, alla flessione, alla torsione, ci basta averle dimostrate per effetto.
Potremo anche proporre al bambino dei divertenti giochi che gli fissino nella memoria queste proprietà: per esempio, chiediamogli di trovare il modo di allontanare una moneta dall’estremità di una fila di altre monete identiche, unite costa a costa, senza toccarla in nessun modo.
Basterà urtare la moneta che si trova all’estremità opposta, e quella da noi indicata si allontanerà, senza che si muovano le monete intermedie.
Evidentemente le particelle che le compongono devono essersi spostate con violenza verso l’ultima, che ne è fuggita lontano, ma devono anche essere ritornate nella posizione primitiva.
Un apparecchio molto simile al pendolo di Newton:
si può costruire prendendo un’asta di legno e facendovi alcuni fori distanti l’uno dall’altro quanto il diametro di alcune palline di legno, tutte uguali. Attaccando le palline a dei fili che passino per i fori praticati, fermando l’estremità superiore dei fili con un nodo, e sospendendo la riga a due sostegni qualsiasi, avremo tanti pendoli che si toccano fianco a fianco. Scostando la prima di queste palline e lasciandola cadere contro la successiva, l’ultima si scosterà senza che si muovano le intermedie:
Con questi esperimenti non avremo dimostrato l’elasticità dei solidi, ma solo di alcuni solidi, e non potremo generalizzare da questi pochi casi, se non avvisando il bambino che gli scienziati hanno fatto esperimenti che dimostrano come tutti i corpi siano elastici e che quelli che a lui non appaiono tali lo sono in così piccola misura da richiedere, per la dimostrazione, mezzi di cui è possibile disporre solo nei laboratori. Questa precisazione è importantissima per non assecondare la pericolosa tendenza, già propria dei bambini, di generalizzare da uno o pochi casi, cioè di formulare la legge in base a un numero insufficiente di osservazioni o di esperimenti.
Ci sarà però facile dimostrargli l’elasticità di qualche liquido, invitandolo a girare il rubinetto dell’acqua potabile: l’acqua, per il suo peso, scenderà precipitosamente nella vaschetta, ma in breve il bambino si troverà tutto cosparso da un’infinità di goccioline minutissime di acqua, quasi argentee in quella loro piccolezza di volume. Ma come l’acqua è saltata addosso a lui? Non doveva dunque scendere verticalmente, anelando, per il peso, a cadere sempre più in basso? Doveva, ed è caduta, ma le gocce d’acqua che, cadendo, non hanno potuto infilare il foro del condotto hanno naturalmente battuto con violenza sul fondo della vaschetta: ed ecco che esse hanno fatto come la sua palla di gomma e sono rimbalzate con violenza verso l’alto, ad investirlo, a spruzzarlo, agili, leggere e perfettamente rotonde.
Non ci sarà nemmeno difficile mostrare ai bambini l’elasticità di un gas: l’aria che un bambino comprime in piccolo volume quando gonfia le gomme della sua bicicletta vuole riacquistare quello che aveva in origine e sfugge, sibilando, dalla valvola, non appena essa le venga aperta. Se possiamo procurarci una pompa da bicicletta in cui scorre uno stantuffo di gomma a perfetta tenuta infilato e fermato ad un’asta di metallo, in modo da poterlo spingere in giù, faremo vedere che l’aria compressa là dentro dalla discesa dello stantuffo lo spingerà indietro, al cessare della nostra pressione, per riacquistare il volume primitivo, qualora noi si tappi con un dito il foro inferiore, invece di infilarlo sopra la valvola del pneumatico.
Chiuderemo questi nostri cenni sulle proprietà generali dei corpi con alcuni esperimenti riguardanti l’inerzia.
Le proprietà fisiche dei corpi
Le proprietà fisiche dei corpi – Il gioco delle bocce può offrire utile materiale didattico
Noi usiamo comunemente il termine “inerte” per indicare ciò che non si muove, che non lavora, che non produce. Scientificamente, però, la parola ha un altro valore: indica cioè non soltanto la quiete, anche il moto.
Nel primo senso la cosa è troppo evidente per aver bisogno di spiegazione; un corpo inanimato non potrà mai mettersi in movimento se una forza ad esso estranea non verrà a smuoverlo. Non è altrettanto evidente, o almeno così sembra a prima vista, il fatto che un corpo inanimato non possa mai cessare quel movimento dopo che gli è stato impresso, se una forza estranea non interviene per fermarlo, nè possa accelerare o rallentare il suo moto senza cause esteriori che possano produrre su di lui tali modificazioni.
Il moto, una volta impresso ad un coro, dovrebbe durare per anni, per secoli, per millenni, se si realizzassero condizioni ambientali tali da non poter influire minimamente su di esso. Non è facile dimostrare al bambino questa legge: possiamo solo parzialmente basarci su esperimenti e abbiamo bisogno, per completare le nostre spiegazioni, di supporre, di astrarre, di immaginare, di costruire una realtà su elementi irreali. Il bambino ci potrà capire? Possiamo tentare.
Le proprietà fisiche dei corpi – Esperimento
Prendiamo una boccia e diciamo al bambino di farla rotolare in un cortile o su una strada pavimentata a ciottoli: urtata, nella sua corsa, dagli spigoli dei sassi, la boccia non andrà molto lontano. Facciamo poi rotolare la boccia su una strada di terra battuta: la palla arriverà molto più lontano, e ancora più lontano potrà andare su una bella strada asfaltata.
Certo, anche in questo caso la boccia, sia pure a notevole distanza, si fermerà, ma per liscio che sia il pavimento, vi sarà pur sempre un po’ di attrito tra la boccia e il terreno, senza considerare la resistenza opposta al moto della boccia dall’aria. Il bambino stesso può provare questa resistenza mettendosi a correre: l’aria gli aliterà sul viso come se improvvisamente si fosse levato il vento. Senza queste cause la boccia una volta messa in moto non si fermerebbe più.
Possiamo fare esempi di questo moto osservando una gran quantità di eventi quotidiani, che il bambino ha sperimentato inconsapevolmente mille volte, ma senza mai averli analizzati nelle loro cause e nei loro effetti.
Se il bambino si trova su un vagone del treno lanciato a velocità notevole, all’arresto del treno si sentirà spingere con forza nella stessa direzione seguita dal vagone, perchè il suo corpo, che si muoveva con esso nella stessa direzione, tende a permanere in quello stato di movimento. Se il treno da una traiettoria rettilinea passa ad un tratto a descriverne una fortemente curva, il bambino si sentirà come lanciato al di fuori, per la tendenza che il suo corpo aveva di continuare il moto secondo la traiettoria rettilinea. Se di un treno in rapida corsa si arresta improvvisamente il motore, i vagoni che seguono la locomotiva urteranno l’uno con l’altro, si accavalleranno addirittura, per quella forza d’inerzia che tende a farle persistere nel movimento iniziale.
Un fenomeno analogo avviene anche per i liquidi: se la pioggia violenta ci ha sorpresi per la strada senza ombrello, possiamo liberare il cappello dall’acqua che lo inzuppa scuotendolo come se no volessimo gettare a terra, mentre poi lo tratteniamo saldamente; ma le gocce, cui già era stato impresso il movimento di discesa, lo continuano per inerzia ed escono dal cappello per cadere sul terreno.
Negli aeriformi potremo far osservare al bambino il vapore acqueo che esce da una pentola che bolle: le molecole che lo costituiscono continuano a salire finchò non trovano un ostacolo che le arresti nel loro cammino e che, nel nostro caso, sarà rappresentato dal soffitto della stanza in cui ci troviamo. Non che tutti i gas si comportino come il vapore acqueo, preso qui come esempio perchè visibile: il vapore infatti sale perchè è più leggero dell’aria, ma esistono anche gas più pesanti dell’aria. Detto questo anche per i secondi vale le legge per cui una volta iniziato il moto le loro molecole tenderebbero a muoversi infinitamente, se non arrestate da ostacoli. Ma non complichiamo per ora questo concetto con la qualità del moto che un corpo, per inerzia, dovrebbe seguire: l’uniformità della velocità e la l’andamento rettilineo della traiettoria percorsa sarebbero complicazioni astratte e non controllabili attraverso l’esperienza diretta.
D’altra parte non siamo interessati alla compiutezza delle nozioni, ma piuttosto al fatto che quelle illustrate siano esatte e che mai il bambino debba farle proprie per autorità. Vogliamo che il bambino assimili queste nozioni attraverso quella convinzione incrollabile che può dare solo l’esperienza concreta.
Le proprietà fisiche dei corpi – Ogni classe di corpi tende a differenziarsi dalle altre
Dopo aver condotto il nostro piccolo scienziato allo studio delle proprietà generali della materia, sia attraverso l’osservazione di fenomeni naturali, si attraverso la loro riproduzione artificiale per mezzo di esperimenti, ci rimarrà ancora un lungo cammino da percorrere per guidarlo nello studio delle proprietà comuni solo a certi stati della materia.
Noi finora abbiamo volutamente fermato l’attenzione su caratteri che si riscontrano in qualsiasi corpo, ed abbiamo insistito perchè il bambino non generalizzasse precipitosamente in legge le conclusioni a cui i suoi sensi parevano guidarlo nei rapporti di un determinato stato della materia.
Questo era indispensabile, perchè, insieme ai caratteri generali, ogni corpo ne possiede altri particolari del suo stato, ed altri ancora specifici a un gruppo di quello stato, ed altri infine del tutto individuali che lo differenziano fra tutti e costituiscono il suo essere.
I solidi, ad esempio, hanno caratteri propri, quali la durezza e la tenacità; i liquidi proprietà specifiche come la scorrevolezza delle molecole e il potere di trasformare in liquido un solido immerso in essi; mentre l’espansibilità e la tensione sono fenomeni che si riscontrano solo negli aeriformi.
Così alcuni caratteri fisici sono propri, ad esempio, solo di certi corpi solidi, come la plasticità, la malleabilità, la duttilità, la friabilità, la fragilità, ecc…, mentre la forma, il sapore, il calore, l’odore ecc… sono proprietà essenzialmente individualizzatrici.
