6 semplici esperimenti di fisica per bambini

La fisica è la scienza naturale che si occupa di materia, energia, movimento e forza. L’obiettivo dello studio della fisica è capire come funziona il nostro mondo e, per estensione, il nostro universo! Ecco 6 esperimenti scientifici super semplici per bambini per esplorare la densità, la gravità, l’elettricità e la pressione. Probabilmente hai già i materiali di cui avrai bisogno in giro per casa: uova, acqua, coloranti alimentari, arance, un pettine e persino spaghetti!

Cambiare la densità dell’acqua

Hai mai visto un lago ghiacciare in inverno? Quando la temperatura scende, si forma una lastra di ghiaccio sulla parte superiore, ma sotto lo strato di ghiaccio, il lago è ancora lì. Perché succede questo, e perché pensi che sia così importante? Affronteremo queste domande nel seguente esperimento. Daremo un’occhiata da vicino agli effetti della temperatura sull’acqua, e vedremo cosa succede quando si prova a mescolare acqua con temperature diverse.

Di cosa avrai bisogno:

• Due contenitori come barattoli o misurini
• Acqua
• Colorante per alimenti

Direzioni

1. Aggiungere circa quattro tazze di acqua in un contenitore. Aggiungere 2-3 gocce di colorante alimentare blu e mescolare bene. Raffreddare in frigorifero durante la notte.

2. Riscaldare circa 1 tazza di acqua a vapore o appena bollente. Aggiungere 2-3 gocce di colorante alimentare giallo e mescolare bene.

3. Versare lentamente ~1/4 di tazza di acqua fredda nell’acqua calda. Assicuratevi di versare molto lentamente e lungo il lato del contenitore in modo che ci sia un minimo di miscelazione. Dovreste vedere due strati formarsi. Cronometra quanto tempo ci vuole perché i due strati si uniscano gradualmente per formare un unico strato verde.

Cosa sta succedendo?

La variazione della temperatura dell’acqua influenza la sua densità. Quando l’acqua si riscalda, le sue molecole vibrano e si muovono. Questo fa sì che lo spazio tra di loro aumenti, con il risultato di una minore densità. Quando l’acqua si raffredda, le sue molecole rallentano e si avvicinano. Questo rende l’acqua più densa. L’acqua raffreddata nel nostro esperimento è affondata sul fondo perché aveva una densità maggiore dell’acqua riscaldata. È diventata verde perché ha toccato parte dell’acqua calda durante la discesa, raffreddandola e facendola affondare.

In natura, questo fenomeno è responsabile di un processo chiamato “ricambio”. L’affondamento dell’acqua più fredda e la risalita dell’acqua più calda fa sì che gli strati di un lago si mescolino, permettendo alle sostanze nutritive come l’ossigeno di essere disperse ovunque. Allora perché un lago non si congela dal basso verso l’alto? La densità dell’acqua continua a salire finché non raggiunge il congelamento, ma poi la sua densità cambia di nuovo. Il ghiaccio è molto meno denso dell’acqua liquida, quindi l’acqua che si congela sale verso l’alto. Il ghiaccio forma uno strato sulla superficie del lago, ma il lago rimane liquido sotto, permettendo alla vita animale e vegetale di sopravvivere durante l’inverno.

Come far affondare o nuotare un’arancia

Quando si cerca di capire se un oggetto galleggerà, è utile prendere in considerazione la densità dell’oggetto. La densità è definita come massa per unità di volume, e gli oggetti con un rapporto massa-volume più alto hanno una densità maggiore. Gli oggetti che sono più densi dell’acqua affonderanno, mentre quelli che sono meno densi rimarranno a galla.

Perché è meno densa dell’acqua, un’arancia non sbucciata galleggerà. Dovrebbe essere ragionevole che sbucciare un’arancia, e quindi diminuire la sua massa, dovrebbe avere poco o nessun effetto. Quello che succede, infatti, è il contrario. Può sembrare controintuitivo, ma nel seguente esperimento vedremo che sbucciare un’arancia la fa effettivamente affondare.

Di cosa hai bisogno:

• Un contenitore a bocca larga come un barattolo
• Un’arancia
• Acqua

Direzioni

1. Riempi il barattolo con abbastanza acqua da coprire un’arancia, se dovesse essere sommersa.

2. Metti delicatamente un’arancia non sbucciata nell’acqua. Osserva cosa succede. L’arancia affonda o galleggia?

3. Togliere l’arancia dal barattolo e sbucciarla.

4. Rimettere l’arancia sbucciata nel barattolo. Cosa succede ora all’arancia?

Cosa sta succedendo?

Può sembrare che sbucciare l’arancia dovrebbe permetterle di galleggiare ancora meglio, dato che sbucciandola le stiamo togliendo parte della sua massa e la stiamo rendendo più leggera. In realtà, quello che osserviamo è che sbucciare un’arancia la fa affondare. Questo sembra illogico finché non si considera la natura della densità.

La densità è definita come massa per volume. Una buccia d’arancia è altamente porosa, il che significa che ha un sacco di piccoli buchi in essa. I buchi sono essenzialmente piccole bolle d’aria. Queste sacche d’aria sono spazi vuoti, o sacche senza massa che, quando si calcola la densità totale, servono a diminuire il risultato finale. Quando si toglie la buccia, le sacche d’aria vengono eliminate. Ora, l’arancia ha una densità maggiore, perché la sua massa per unità di volume sale. L’arancia è ora più densa dell’acqua. Quindi affonda. Quindi, anche se sembra andare contro la ragione, il risultato è in realtà aderente alle regole della densità.

Come usare la gravità per dire se un uovo è cotto

La “gravità” è la forza che ci attira verso la terra, ed è responsabile di far cadere a terra le cose quando vengono lanciate in alto, o lasciate cadere da lontano. Il “centro di gravità”, o “centro di massa”, è il punto in cui si concentra il peso di un oggetto. Può essere considerato come il punto in cui la gravità agisce su un oggetto.

Avere un centro di gravità stabile rende possibili cose come le trottole, o l’equilibrio di un funambolo su un filo sottile. Possiamo anche approfittare di questo fenomeno per determinare se un uovo è cotto, senza doverlo aprire!

Di cosa avrai bisogno:

• 2 uova
• 1 pentolino
• Acqua per bollire

Direzioni

1. Fai bollire una delle uova. *Nota: questa parte richiede la supervisione di un adulto. Ci sono diversi modi per far bollire un uovo, ma ai fini di questo esperimento vogliamo essere sicuri che l’uovo sia completamente sodo. Per ottenere questo, lasciate l’uovo in acqua bollente attivamente per almeno 15 minuti.

2. Scolate l’uovo e sciacquatelo sotto l’acqua fredda. Mettere l’uovo in frigorifero per un’ora o più. In questo modo non si può dire quale uovo è cotto semplicemente controllando la temperatura.

3. Togliere l’uovo cotto e l’uovo crudo dal frigorifero. Fate girare le uova, una alla volta, su un piano di lavoro o una superficie pulita. Notate le differenze nel modo in cui ogni uovo si muove. Un uovo gira senza problemi mentre l’altro traballa ed è difficile da far girare.

Cosa sta succedendo?

Il contenuto all’interno del guscio dell’uovo crudo è liquido, quindi è in grado di muoversi. Quando si cerca di far girare l’uovo crudo, il suo contenuto si sposta. Questo fa sì che il centro di gravità dell’uovo cambi costantemente. Dato che non ha un centro di gravità stabile, l’uovo non gira dolcemente, come farebbe una trottola, ma traballa. L’uovo cotto, invece, è solido all’interno. Il suo centro di gravità rimane lo stesso. Pertanto, l’uovo sodo girerà senza problemi e si distingue facilmente dall’uovo crudo senza doverlo rompere.

Testare un ponte di spaghetti

Una delle decisioni chiave nella costruzione è la scelta dei materiali da costruzione. A seconda della loro composizione, diversi materiali sono in grado di sopportare carichi diversi. Possiamo esaminare questo concetto costruendo un ponte in miniatura, e poi testando la sua capacità di sostenere il peso. Useremo dei fili di spaghetti crudi per vedere come la composizione strutturale di un particolare materiale da costruzione influenza la sua capacità di resistere alla pressione.

Di cosa avrai bisogno:

• Spaghetti
• Molletta o gancio a S
• Piccolo bicchiere di carta
• Diverse monete

Direzioni

1. Metti un filo di spaghetti crudi tra due barattoli o scatole in modo che gli spaghetti formino un ponte.

2. Piega la graffetta per formare un gancio a S (o semplicemente usa un gancio a S) e fai un foro nel bicchiere di carta. Sospendi il bicchiere di carta al tuo gancio, e poi appendi con attenzione il gancio e il bicchiere al ponte di spaghetti.

3. Aggiungi le monete al bicchiere una alla volta. Registra quante monete puoi aggiungere prima che gli spaghetti si rompano.

4. Organizza di nuovo l’esperimento, ma questa volta usa due fili di spaghetti per costruire il ponte. Quante monete può contenere il tuo nuovo ponte prima che si rompa?

5. Ripeti l’esperimento usando quantità crescenti di fili di spaghetti. Cosa noti sulla capacità del ponte di trasportare monete man mano che aggiungi altri fili di spaghetti?

Cosa sta succedendo?

Un filo di spaghetti crudi è molto fragile, e si spezza quando gli si applica pressione. Quando aggiungiamo altri fili di spaghetti, tuttavia, la pressione viene distribuita tra i fili, quindi la pressione totale applicata a ciascuno è inferiore. I fili stanno fondamentalmente condividendo il carico, quindi il numero di monete che possono essere aggiunte prima che il ponte si rompa aumenta.

Un esempio di materiale da costruzione che utilizza questo principio è il compensato. Il compensato è composto da più fogli sottili di legno impiallacciato che sono stati incollati insieme. Questo si traduce in un materiale che è in grado di sopportare una maggiore quantità di pressione di quanto sarebbe possibile con un solo foglio.

Come fare un pettine “magnete”

E’ probabile che tu abbia sperimentato l’elettricità statica ad un certo punto. Quella piccola scossa che senti a volte quando prendi la maniglia di una porta, il modo in cui i tuoi capelli si sollevano quando li spazzoli, il modo in cui il tuo cappello si aggrappa ai tuoi capelli – tutti questi sono esempi di elettricità statica.

Nel seguente esperimento, useremo l’elettricità statica per fare un “magnete”. Genereremo una carica elettrica su un pettine per capelli ed esamineremo come funziona questa carica. Alla fine dell’esperimento, avremo una migliore comprensione dell’elettricità statica, perché si comporta in quel modo e cosa possiamo fare per minimizzare i suoi effetti nella nostra vita quotidiana.

Di cosa avrai bisogno:

• Un pettine per capelli
• Un tessuto
• Forbici

Direzioni

1. Se il tuo tessuto è a 2 strati, separa i due strati e usane solo uno. Con le forbici, tagliare il tessuto in quarti. Appoggia uno dei quarti su un tavolo.

2. Passa un pettine tra i capelli più volte (almeno 12 volte) in rapida successione. Questo funziona meglio su capelli puliti e asciutti, e darà i migliori risultati con la parte più fine del pettine, o l’estremità dove i denti sono più vicini tra loro.

3. Subito dopo aver passato il pettine tra i capelli, toccare il pettine con un bordo del tessuto. Saprai che ha funzionato se il tessuto si alza per incontrare il pettine non appena si avvicina. Usando il tuo nuovo pettine “magnetico”, solleva il tessuto dal tavolo e alzalo in aria.

Cosa sta succedendo?

L’elettricità statica si genera quando particelle caricate negativamente chiamate “elettroni” vengono trasferite ad un oggetto e lasciate accumulare. Nel caso del nostro esperimento, l’oggetto era il pettine. Gli elettroni sono “saltati” dai nostri capelli al pettine, dando al pettine una temporanea carica negativa. Poiché gli opposti si attraggono, le cariche negative sul pettine sono state attirate dalle cariche positive sul tessuto, e il tessuto si è “attaccato” al pettine.

Le condizioni più secche sono più favorevoli all’accumulo di elettricità statica, ed è per questo che si tende ad avere più scosse statiche in inverno. Questo perché l’acqua è un grande conduttore. Quando c’è umidità, le cariche elettriche statiche che si accumulano naturalmente su una superficie possono essere assorbite dalle particelle d’acqua sospese nell’aria. Queste particelle d’acqua non sono presenti in condizioni di siccità, quindi le cariche si accumulano, per poi dissiparsi tutte insieme quando entrano in contatto con un altro oggetto, come la tua mano su una maniglia.

Fai galleggiare un uovo in acqua

Non tutto galleggia in acqua. Un uovo, per esempio, affonderà sul fondo se messo in un contenitore pieno d’acqua. Una pallina da ping-pong, invece, galleggerà. Perché succede questo? Cosa fa sì che qualcosa galleggi o affondi? La risposta è la densità. Gli oggetti che sono più densi dell’acqua affonderanno. Quelli che sono meno densi galleggeranno.

Il seguente esperimento vi permetterà di osservare l’effetto della densità in azione. Cambiando la densità dell’acqua, possiamo cambiare la capacità di un uovo di galleggiare.

Di cosa avrai bisogno:

• Un contenitore trasparente come un barattolo
• Un uovo (Nota: L’uovo non deve essere sodo, ma potrebbe essere meno snervante lasciare che i più piccoli maneggino un uovo sodo.)
• Acqua
• Sale

Direzioni

1. Aggiungere 1 tazza d’acqua al contenitore vuoto, o la quantità necessaria per riempire il contenitore a metà e permettere a un uovo di essere completamente sommerso. Mettere delicatamente l’uovo nell’acqua e osservare cosa succede.

2. Rimuovere l’uovo. Aggiungere 6 cucchiai di sale all’acqua nel contenitore e mescolare per mescolare. Rimettere delicatamente l’uovo nell’acqua salata e osservare.

3. Togliere l’uovo e sciacquarlo con acqua fresca. Lentamente, per non disturbare l’acqua salata, aggiungere una tazza di acqua pulita nel contenitore. L’obiettivo è di stratificare l’acqua dolce sull’acqua salata, non di mescolare i due strati. Metti l’uovo nel contenitore una terza volta.

Cosa sta succedendo?

Un uovo ha una densità maggiore dell’acqua, quindi non galleggia. Quando abbiamo aggiunto il sale all’acqua, però, abbiamo cambiato la sua densità. Abbiamo fatto in modo che l’acqua avesse una densità maggiore dell’uovo. Grazie a questo, l’uovo è stato in grado di galleggiare. Per evidenziare ulteriormente questo concetto, abbiamo aggiunto uno strato di acqua dolce sopra l’acqua salata. L’uovo è affondato attraverso l’acqua dolce ma ha smesso di affondare quando ha raggiunto lo strato di acqua salata.

Un punto da sottolineare è che un oggetto non deve pesare meno dell’acqua per poter galleggiare, deve solo essere meno denso. Questo significa che deve avere un maggior numero di sacche di spazio vuoto in relazione alla sua massa. È così che le barche riescono a galleggiare nonostante siano così grandi e pesanti, ed è così che una pallina da ping-pong galleggia, ma un uovo no.