Kilocal vs joule

Per l'openday degli insegnanti di quest'anno la mia proposta per i docenti della secondaria di primo grado è stata la bozza di un percorso dedicato alle scuole medie che fosse trasversale per biologia e fisica considerando fenomeni "sovrapponibili" rispetto al tema dell'energia.

L'obbiettivo è stato valutare, grazie al parere di questi insegnanti e spero anche di quanti leggeranno questo post, questo percorso per renderlo eventualmente definitivo nell'i.lab Energia&Ambiente.

Il percorso si sviluppa proponendo tre coppie di esperienze, una in ambito fisico ed una in ambito biologico, con al termine di ognuna di queste una sorta di dibattito alla ricerca di analogie e differenze. 

Fotovoltaico vs Fotosintesi

Questo primo confronto vorrebbe essere introduttivo, l'ingaggio per esplorare quali sono i concetti comuni  e quali sono i vocaboli che usiamo in entrambi gli ambiti.

Materiali:

mini-pannello fotovoltaico, cavi, ventilatore 

vs

elodea, becher, imbuto, provetta

D:Cosa ci trovate di simile e cosa di diverso?

R:Sono entrambi trasformatori…da luce a movimento (l’elettricità per qualcuno non c’era) e da luce ad ossigeno

Forse la trasformazione è ancora una metafora troppo forte

R:Il pennello reagisce subito la pianta in ritardo.

R:Qual'è la loro efficienza?

Efficienze

Questo concetto più di quello di energia mi sembra ricco dal punto di vista delle interpretazioni e allo stesso tempo solido dal punto di vista delle immagini che produce e vorrei fosse il tema portante dell’attività.

Mettiamo ancora una volta a confronto due esperienze:

misuriamo quanta CO2 produciamo in più dopo uno sforzo intenso

vs

misuriamo quanta elettricità produce la caduta dell’acqua della nostra centrale idroelettrica.

Per la misurazione della CO2 ci affidiamo ad un indicatore di acidità (BBT Blu di BromoTimolo).

A riposo gonfiamo un palloncino, per misurare la quantità d’aria che stiamo valutando, e lasciamolo sgonfiarsi in un becher in cui è stata messa acqua del rubinetto e BBT in una proporzione 500ml/0,75ml.

Ripetiamo l’operazione in un secondo becher, con BBT e acqua nella stessa proporzione, dopo aver fatto 2 minuti di step.

Il BBT appare blu con un pH > 7.6, vira verso il verde con un 6 < pH < 7.6,  verso il giallo con un pH < 6.

Quanto più CO2 avremo prodotto a parità di sforzo tanto meno efficiente si rivelerà il nostro "motore".

Per misurare l'elettricità prodotta dalla centrale idroelettrica, utilizzo un "energimetro" (https://mindsetsonline.co.uk/shop/making-energy-real-using-the-sep-energymeter/) in parallelo con la centrale ed un carico, questa confrontata con l’energia di caduta, misurata nello stesso intervallo di tempo, ci da a sua volta una misura dell’efficienza della nostra centrale (mgh= 9 kg * g * 1.3 m = 114,66 J).

efficienza = 2.02/114.66 = 1.8%

La domanda che avrei posto anche in questo caso, ma che non ho avuto il tempo di fare sarebbe stata:

D:Quali analogie e quali differenze troviamo tra questi due processi?

Questioni di evoluzione

Il terzo confronto vorrebbe essere tra:

come far andare una macchinina spinta dall’aria di un palloncino più lontano possibile

vs

come gli esseri viventi si sono evoluti 

Questi alcuni risultati:

Riguardo all'evoluzione degli esseri viventi la riflessione che ho riportato è stata rispetto alla recente conferma della legge di Kleiber secondo la quale il metabolismo degli esseri viventi segue sempre la seguente relazione L=M^(3/4), dove L è la velocità con cui l'energia viene "bruciata" e M la massa dell'essere vivente.

Quello che avrei voluto osservare è se anche le automobiline costruite allo scopo di essere quanto più efficienti possibile rivelassero una "regola" analoga alla legge di Kleiber. Ma anche in questo caso non siamo riusciti a produrre una vera e propria evoluzione delle  nostre creature per mancanza di tempo.

Commentate pure qui sotto per qualunque considerazione o suggerimento!!

Grazie!

Sitografia

https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Zoo_p013/human-biology-health/exercise-changes-in-carbon-dioxide-output#procedure

https://feastportal.wordpress.com/results/feast-hus-working-with-parents/

https://www.professionistiscuola.it/didattica/didattica-scienze/1145-laboratorio-di-scienze-la-respirazione-cellulare-e-la-fotosintesi.html

http://www.pnas.org/content/111/29/10620.full

https://oggiscienza.it/2014/02/25/la-matematica-e-la-forma-degli-esseri-viventi/

http://www.nationalgeographic.it/scienza/2014/02/19/news/legge_di_kleiber_una_sola_formula_alla_base_dell_evoluzione_di_piante_e_animali-2018576/

http://www.lescienze.it/news/2014/02/21/news/forma_animali_piante_efficienza_energetica_kleiber-2020898/

https://www.galileonet.it/2014/02/una-legge-che-spiega-la-forma-di-piante-e-animali/

Una lampada geometrica

Questa è la lampada realizzata da Linda Giampieretti con una penna 3D, inserendo l'uno nell'altro solidi e solidi platonici. Linda è una grande esperta nell'uso della penna 3D per lo studio della geometria solida e ci ha preparato un bellissimo percorso sull'argomento che sarà svolto nel nascente laboratorio di matematica.

Linda ci aveva introdotto all'argomento qualche tempo fa, conducendo un'attività con i visitatori che aveva colpito molto (vedi Disegnare nell'aria). E' stato naturale rivolgersi a lei per preparare il percorso, che proveremo prima con qualche classe "cavia" per prenderci la mano.

E nell'occasione anche i suoi studenti ci hanno fatto un regalo: dato che l'aspetto del laboratorio richiamerà un bar hanno realizzato sei sottobicchieri su cui sono disegnati i ritratti di sei matematici.

Questa è la pagina facebook che raccoglie le esperienze di Linda : Fascinating World of Geometric Forms
e questi un paio di suoi articoli:
La penna 3D, imparare costruendo e manipolando le figure geometriche
Con la penna 3D gli studenti potranno“toccare” la geometria (non solo immaginarla)

Per una giocoleria lenta

Uno dei percorsi del nuovo laboratorio di matematica è dedicato al ritmo. Mi è venuto spontaneo pensare anche alla giocoleria (che pratico a livello assolutamente di base) ma il problema è che ci si mette parecchio per acquisire una abilità minima, quindi non è possibile far sperimentare ai partecipanti anche l'attività più semplice.

Ho scoperto che ci può aiutare Craig Quat che in questo video presenta la sua idea geniale per una "giocoleri lenta", in cui prevale il senso del ritmo e l'abilità manuale non è predominante. 

Juggling For The Masses (Cirkor Trailer) from Craig Quat on Vimeo.

WELCOME TO QUAT PROPS  è il suo sito: una pagina è dedicata alla notazione numerica astratta che si usa per descrivere le sequenze dei lanci di palline, chiamata siteswap.

Qui la sua pagina facebook.

Sembra facile fare un'onda di pendoli

Tempo fa avevo ammirato l'onda di pendoli mostrata in questo video

 

dopo ho trovato questa

ed è stato naturale inserire l'onda di pendoli fra le attività del futuro laboratorio di matematica che stiamo preparando per ottobre.

Le prime prove sono state molto incoraggianti (sì, non si vede benissimo, troppa roba nell'ambiente intorno). 

Però nel laboratorio verrà sperimentata dagli studenti, probabilmente abbastanza spesso, e abbiamo bisogno di costruire un apparato meno provvisorio. 

Per esempio, per tenere i fili dei pendoli abbiamo sostituito le pinze fermafogli con i morsetti a vite (quelli usati per i fili elettrici)

e vediamo il dispositivo con un po' di spazio attorno

Sembra tutto bene, ma quando la facciamo partire l'effetto è meno pulito sia del video sia delle nostre prime prove

Sospettiamo che il responsabile sia il cordino che abbiamo usato per i pendoli (del resto non sembra esserci molta altra scelta). 

Nelle prime prove ho usato un bel cordino arancione che avevo in laboratorio, un cordino di polipropilene, flessibile e intrecciato, di circa 1,8 mm di diametro. Non ne ho abbastanza per realizzare i sei dispositivi che servono per il laboratorio e ne devo comperare ancora; però al negozio solito non c'era esattamente quello che avevo usato e ho comperato due tipi diversi di cordino, simili a quello usato nelle prove, ma non identici. 

Uno è più sottile, e non c'è niente di male, non deve reggere chissà quale peso, ma non è intrecciato, solo ritorto e penso che alla lunga possa creare problemi: dopo l'uso la barra a cui sono attaccati i pendoli deve essere staccata dagli stativi e riposta in un armadio e temo che nel maneggiare il tutto a lungo andare i cordini si "aprano" e si alterino. 

L'altro invece ha un'anima ricoperta da una calza intrecciata, decisamente robusto ma molto meno flessibile. Per il dispositivo in fotografia ho usato questo tipo di cordino ma ci siamo accorti che non si piega bene sul bordo dell'asta orizzontale e forse questo pasticcia il moto di ciascun pendolo, in modo diverso a seconda della sua lunghezza (dissipa energia? altera la lunghezza?).

Quindi mi aspetta una serie di visite a negozi di bricolage di catene diverse alla ricerca del "cordino giusto". 

A spirale con lo specchio

Continua la preparazione delle attività per il nuovo laboratorio di matematica e sto pensando come pasticciare con le figure geometriche. Mi attirano le spirali.
All'inizio di questo video si vede il modo usuale per disegnare una buona approssimazione di spirale logarirmica

Wood Shells - A New Art Form 

prima si disegna un insieme di raggi equispaziati e poi con una squadretta si traccia la perpendicolare da uno dei raggi al successivo, dove identifica un punto su cui si mette la squadretta per tracciare il successivo segmento di spirale, e così via (non è indispensabile usare un angolo di 90°, si potrebbe usare un angolo diverso modificando la rapidità con cui la spirale si avvolge, l'angolo di 90° è comodo perchè si usa la squadra).
Ho provato a modificare questo metodo utilizzando un dispositivo con uno specchietto

il dispositivo è un'asta/righello di legno su cui sono piantati due chiodi, che fanno da mirini; fra i due chiodi c'è uno specchietto (per semplicità ho messo lo specchietto a 45° rispetto all'asta)

come nel modo usuale disegno prima i raggi: nella nostra prova ne ho disegnati 16 (prima ho disegnato un diametro e poi con il compasso ho diviso ripetutamente gli angoli in due)
ho messo al centro una piccola asta di mira che rappresenta il centro della spirale

(mi ha aiutato Francesco, che compare nelle foto)

appoggio l'asta a cavallo di un raggio, l'asse verticale a metà dello specchietto deve essere sul raggio: qui c'è il punto di partenza del segmento di spirale
traguardo i due mirini e ruoto l'asta fino a quando l'immagine dell'asta al centro risulta allineata ai mirini

 
traccio una linea dal punto di partenza al raggio successivo e via così per i raggi successivi.
Per disegnare sul foglio questo sistema non presenta un gran vantaggio ma penso che possa essere utile per disegnare una grande spirale in una stanza o in un giardino, piantando un'asta verticale al centro, tenendo il dispositivo all'altezza degli occhi, traguardandolo e spostandosi di un passo per volta. 

Per la spirale di Archimede è tutto più semplice.
Prendiamo un tenero veicolo, leghiamolo con un guinzaglio a un palo (non credo che soffra) e vediamo che succede quando lo muoviamo:

E se diamo al veicolo la possibilità di sentire l'ambiente circostante (grazie al pannellino solare sente l'intensità della luce) e di effettuare una registrazione (lascia cadere sabbia dal contenitore) ecco che la spirale diventa una fonte di informazioni (otteniamo qualcosa che assomiglia al classico disco di vinile)

Tubetti rotanti!

Stiamo preparando il laboratorio di matematica, che sarà attivo dal prossimo anno scolastico. Uno dei percorsi esplorerà il sincronismo e fenomeni collegati e stiamo già realizzando i dispositivi utili. Una delle attività riguarderà i tubetti in rotazione, ecco le nostre prime prove:

Al rallentatore:

Abbiamo usato un tubetto da elettricista in pvc di 2,5 cm di diametro lungo 10 cm (4 volte il diametro).

Il fenomento è ampiamente discusso nel video dell'ottimo Tadashi Tokieda Strange Spinning Tubes.

Un origami di salvataggio

Qualche tempo fa ero rimasto affascinato da questo origami

Origami doughnut protects under pressure

(altre informazioni in un articolo di NewScientist:  Origami doughnut squashes up to protect what's inside).

Recentemente Francesco ha incontrato Alessandro, maestro di origami, sono finiti a parlare anche di questo e Alessandro lo ha realizzato! Bello grande! E ce lo ha donato: grazie!

La pagina Facebook di Alessandro: Origami al Tipota

Cibi fluorescenti, divertenti e non solo

Sto facendo qualche prova con i gel di amidi e con alginato di sodio per un'attività dell' i.lab Alimentazione: vorrei riuscire a colorarli di rosso, blu e giallo. I colori devono essere in soluzione liquida per poterli unire alla base del gel prima che solidifichi. Ho dei coloranti alimentari rossi e blu, quelli che si usano per i dolci.
Vanno bene, fuzionano. Ma non ho quello giallo. Mi è avanzata un po' di vitamina B2 (riboflavina) dalle prove che avevo fatto per vitamine da disegno. Sciolgo la vitamina in acqua, la mescolo con l'alginato liquido e ottengo un gel di un bel giallo evidenziatore. Evidenziatore = fluorescente? Provo a vedere se è proprio così.

Faccio una piccola ricerca e sembra che in effetti la vitamina B2 abbia questa proprietà. Mi basta tirar fuori una lampada di Wood (in pratica una lampada UV che emette radiazioni a 370 nm) e illuminare il gel. Ecco l'effetto UAUH che cercavo. Propongo i gel fluorescenti ai visitatori durante un fine settimana in occasione di Halloween e ai miei colleghi durante la nostra festa di Natale:

Continuo per questa strada, molto divertente devo dire. Armata di lampada di Wood vado in giro per il lab alimentazione a illuminare gli alimenti che ho a disposizione. Scopro che l'olio extravergine di oliva diventa di un bel giallo fluorescente. Questa volta non credo che c'entri qualcosa la vitamina B2. Provo un confronto con altri oli. Nella dispensa ho un olio di semi di lino e uno di arachidi. Preparo tre provette: olio extravergine di oliva, olio di semi di lino, olio di arachidi (da sinistra a destra nella foto):

Noto che hanno colori molto diversi, almeno l'extravergine. Gli altri 2 oli si assomigliano abbastanza. Accendo la lampada di Wood ( da sinistra a destra: olio di arachidi, olio di semi e extravergine):

Solo l'olio extravergine dà una fluorescenza gialla, gli altri biancastra-grigia. Perchè sono così diversi? In effetti questi oli, oltre ad avere origine diversa, sono anche estratti con due metodi diversi. L'olio extravergine si ottiene per spremitura, quello di semi per estrazione. Mi faccio l'idea che l'extra vergine, grazie alla spremitura, conservi tutte le componenti (probabilmente anche i carotenoidi) che determinano il colore, mentre l'estrazione chimica distrugge molte molecole negli oli di semi.
Scopro che, in effetti, la fluorescenza è un parametro usato per distinguere gli oli. Qui si spiega cos'è la fluorimetria negli olii.

Mi faccio prendere la mano e decido di portarmi a casa una lampada di Wood. Per cena preparo degli spinaci: li cuocio al vapore e li illumino con la lampada di Wood.

Gli spinaci emettono fluorescenza rossa. Perchè? Negli spinaci surgelati e cotti probabilmente si rompono le pareti cellulari e aumenta la reattività della clorofilla, il pigmento fondamentale per la fotosintesi delle piante.

Qui ho trovato una spiegazione chiara della  fluorescenza e degli effetti che ho osservato.

Cerco in rete e trovo tantissimi modi per sfruttare la fluorescenza della vitamina e di altre sostanze, ad esempio per  per creare cocktail strepitosi:

Credo proprio che questo esperimento mi toccherà farlo!

In rotazione

Nel laboratorio temporaneo associato alla mostra EXTREME | alla ricerca delle particelle propongo di sperimentare quali relazioni ci sono fra gli "attori" della rotazione: dopotutto negli acceleratori circolari come LHC bisogna fare in modo che le particelle viaggino su una traiettoria curva. Un video del CERN mostra che i protoni non vengono iniettati direttamente in LHC ma passano prima attraverso altri acceleratori circolari (più piccoli) che ne aumentano gradualmente l'energia. Perchè LHC è così grande?

Questo è il nostro apparato sperimentale, formato da:
_una pallina di gommapiuma appesantita con un dado metallico di una ventina di grammi inserito al suo interno,
_un peso costituito da un sacchetto di sabbia: ce ne sono a disposizione da 50 e da 100 grammi, e se ne possono usare più di uno contemporaneamente
_un cordino che lega la pallina al peso passando in un imbuto (nella pallina il cordino è legato al dado): tradizionalmente usavo un tubetto di pvc ma ho avuto paura che a lungo andare il cordino si sarebbe rovinato strisciando sul bordo del tubetto, che per quanto lo levighi rimane comunque sottile, il bordo dell'imbuto è invece più spesso e liscio.

Il partecipante fa ruotare la pallina tenendo in mano l'imbuto, lasciando libero il cordino e facendo in modo che il peso rimanga appeso, cioè non salga fino a battere contro il tubetto dell'imbuto, cioè non arrivi "a fine corsa".

E' possibile trovare situazioni di equilibrio, in cui il peso resta appeso liberamente alla stessa altezza mentre mantengo costante la velocità di rotazione e il raggio. I partecipanti scoprono rapidamente che ci sono relazioni fra velocità di rotazione, raggio della traiettoria e peso: per esempio, bisogna mettere un peso molto grande quando si ruota velocemente con un raggio piccolo, mentre ne basta uno minore con la stessa velocità di rotazione se il raggio è più grande.
Anche se molto semplice il dispositivo aiuta effettivamente a capire.