Cannoncino spara biglie

Descrittore :
• Materiale didattico
• Scienza sperimentale
• Scienze fisiche
• Meccanica

Motivazioni e contesto di applicazione

La progettazione e costruzione del cannoncino spara biglie nasce da una duplice necessità:
• Compiere semplici misurazioni di forze in situazioni di gioco;
• Ottenere misurazioni significative per scoprire regolarità nell’andamento di un fenomeno.

Il gioco del lancio di una palla, posta su una molla ancorata ad una base di legno, utilizzato nelle esperienze degli anni precedenti, risultava utile per un primo approccio al concetto di forza elastica e alla scoperta delle sue caratteristiche, ma si rivelava poco adeguato per compiere misurazioni significative sull’altezza raggiunta dalla palla, in quanto le esperienze di lancio erano soggette a molte variabili: ( es. posizione delle mani sulla palla, oscillazioni laterali e deformazioni della molla schiacciata etc.).Il cannoncino spara biglie ha permesso di superare tali difficoltà e di effettuare misurazioni significative; i dati ottenuti sono stati registrati in tabella ed utilizzati per costruire semplici grafici.

OGGETTO
Il cannoncino spara biglie è costituito da un tubo di plexiglas lungo 2 metri, alle cui estremità sono attaccate due molle lunghe 20 cm. ciascuna e da una pallina di legno.
Che cosa utilizzare
• Per la costruzione dello strumento:
- Tubo in plexiglas, l=2,0 m d = 3,0 cm
- Tappo in gomma forato al centro ( misura standard da otto)
- Pistone dotato di asta in lega di lunghezza l = 30,5 cm, con gancio in una estremità e guarnizione in cuoio nell’altra
- Molla in lega, di lunghezza l = 20 cm e diametro interno = 2,7 cm
- Pallina in legno di diametro 2,6 cm
• Per svolgere l’ attività:
- Righello millimetrato
- Matassa di spago sottile
- Un paio di forbici
- Pesetti da 100 grammi (n = 30)
In che cosa consiste l’ esperienza?

L’ esperienza consiste nell’applicare alla molla un carico sempre maggiore. Per ogni prova si misura la compressione corrispondente al carico e l’altezza raggiunta dalla pallina quando il carico viene rimosso.
Questi dati vengono registrati in una tabella ed utilizzati per costruire semplici grafici.

Come procedere:
1. Ipotesi sul funzionamento della molla:

Più la molla viene schiacciata (compressa), caricandola con un numero maggiore di pesi uguali, più la pallina appoggiata su di essa va in alto, quando la molla viene liberata dal carico dei pesi.
Caricando la molla con un numero maggiore di pesi uguali, aumenta la sua compressione perché è sottoposta ad una forza sempre maggiore, per cui quando essa viene liberata dal carico, sprigiona di conseguenza una forza maggiore (FORZA ELASTICA) che manda sempre più in alto la pallina.
Dunque è importante non superare il carico massimo perché questo potrebbe portare di conseguenza ad una compressione permanente.

2. Esecuzione dell’esperienza di gioco

- Applicare alla molla un carico sempre maggiore, partendo da 100 grammi fino ad arrivare alla portata massima della molla utilizzata;
- In ogni prova, misurare la lunghezza della molla a riposo, della molla carica e calcolare la compressione;
- Misurare l’altezza raggiunta dalla pallina quando il carico viene rimosso;
- Registrare i dati in un’apposita tabella, così strutturata per ciascuna molla:

- Costruire, su carta millimetrata, i grafici corrispondenti al rapporto esistente tra carico- compressione e carico – altezza raggiunta dalla pallina.

Il gioco viene ripetuto in tutte le sue fasi utilizzando molle diverse ( da 1 kg, 1,5 kg. 2 kg , 3 kg)

Verifica delle ipotesi sull’applicazione delle forze alla molla
La verifica delle ipotesi fatte sul funzionamento di ciascuna molla, sottoposta a carico, e dell’altezza raggiunta dalla pallina, quando la molla viene liberata dal carico, è eseguita osservando la tabella compilata per la molla e i diagrammi carico (forza elastica) – compressione e carico ( forza elastica) – altezza raggiunta dalla pallina , relativi ad essa.
Le conclusioni alle quali si giunge sono:
- la forza elastica è uguale al carico applicato alla molla ed è sempre diretta in verso opposto alla compressione della molla prodotta dal carico;
- carico ( forza elastica) e compressione sono direttamente proporzionali per piccole deformazioni subite dalla molla;
- carico( forza elastica) e altezza raggiunta dalla pallina sono direttamente proporzionali , sempre per piccole deformazioni della molla.

N. B. le conclusioni a cui si è giunti, non sono più valide quando viene raggiunto il limite di compressione della molla , cioè quando questa rimane deformata allo stesso modo pur aumentando il carico e l’altezza raggiunta dalla pallina non varia più sensibilmente con l’aumentare del carico.

Si osserva inoltre che per le molle da 2 kg e da 3 kg, per la massima compressione, viene evidenziato L’EFFETTO CANNONE, cioè la biglia fuoriesce dal tubo utilizzato nel gioco.

Osservando le tabelle e i relativi grafici per ciascuna molla, si nota che la forza elastica dipende anche dal materiale di cui ciascuna molla è costituita. Ciò significa che non tutti i materiali se lavorati fino a diventare delle molle, si comportano allo stesso modo quando vengono compresse con lo stesso carico.

MATERIALI DIVERSI MOSTRANO ELASTICITA’ DIVERSE,
(CIOE’ HANNO DIVERSA COSTANTE DI ELASTICITA’).

In seguito a queste conclusioni si può dedurre la seguente legge fisica sul comportamento degli oggetti elastici, di cui le molle sono la migliore rappresentazione:

LA COMPRESSIONE (O ALLUNGAMENTO) DI UN OGGETTO ELASTICO DIPENDE DALLA FORZA APPLICATA (CARICO) E DAL MATERIALE DI CUI ESSO E’ COSTITUITO (ELASTICITA’).
PER CIASCUN MATERIALE E PER DEFORMAZIONI NON PERMANENTI E PICCOLE, SI PUO’ AFFERMARE CHE LA COMPRESSIONE (O ALLUNGAMENTO) E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE AL CARICO E LA FORZA ELASTICA HA LO STESSO VALORE DEL CARICO E VERSO OPPOSTO.