Indagare sull'atmosfera - L'aria occupa spazio

Attività hands-on per dimostrare che l’aria occupa spazio anche se non la si può vedere.
Space Awareness, Leiden Observatory
Goals

L’obiettivo è quello di comprendere che i gas occupano spazio e come questo fatto sia connesso a situazioni reali che lo dimostrino.

Learning Objectives
  • Gli studenti sperimenteranno con siringhe, palloncini e acqua per comprendere ed esplorare il concetto di aria.
  • Gli studenti saranno in grado di comprendere che un gas come l’aria occupa spazio.
Evaluation

Ad ogni passo dell’attività gli studenti sono incoraggiati a rispondere a domande e discutere le proprie ipotesi con l’insegnante. In seguito sono invitati a discutere con la classe di cosa è accaduto in ogni attività. Qual è la spiegazione che offrono gli studenti? Discutono lo spostamento e la spinta dell’aria in maniera appropriata? Concludere che l’aria occupa spazio, anche se non la si può vedere.

Materials
  • Palloncini
  • Siringhe di plastica (senza aghi) di due misure diverse (per ogni gruppo)
  • Cannucce strette, pipetta o contagocce, gommini adesivi tipo Pattafix, acqua
  • Una ciotola con dell’acqua, bicchieri alti di plastica o vetro, fazzoletti
  • attività di follow-up: bottiglia di vetro, imbuto, nastro adesivo (oppure un O-ring o una guarnizione di gomma reperibile in negozi per fai da te), acqua
Background Information

L’aria occupa spazio.

Uno strato di aria, chiamato atmosfera, avvolge la Terra come una spessa coperta. Le piante e gli animali usano l’aria dell’atmosfera per sopravvivere.

Anche se l’atmosfera si estende di gran lunga sopra la superficie terrestre, la maggior parte dell’aria è concentrata nei 5 chilometri (3 miglia) più bassi, questo perché la gravità agisce sull’aria tirandola verso la superficie della Terra. Tanto più alto si sale in atmosfera, tanto più l’aria diventa rarefatta. Questo significa che ogni respiro contiene meno aria (e quindi meno ossigeno), per questo motivo gli scalatori di montagne che si avventurano su cime molto alte hanno più difficoltà a respirare in alta quota.

L’aria è fatta di una varietà di gas (principalmente azoto e ossigeno) e altre particelle. I meteoriti o le navicelle spaziali che raggiungono la Terra ad alte velocità possono esplodere quando raggiungono l’atmosfera, questo perché la forza con cui i meteoriti o le astronavi colpiscono l’atmosfera può rilasciare molto calore. I meteoriti in genere si disintegrano e vengono bruciati quando entrano in contatto con l’atmosfera terrestre, diventando spettacolari meteore, alcuni possono arrivare a terra e creare dei grandi buchi chiamati crateri. Per evitare che le astronavi in rientro in atmosfera a velocità molto elevate (fino a 28000 km/h) facciano la stessa fine, vengono adottate misure di sicurezza come rallentare l’astronave o l’uso di materiali molto resistenti al calore.

Full Activity Description

Preparazione:

Accedere al video di una meteora che esplode al contatto con l’atmosfera potrebbe risultare utile , ad es. la meteora Chelyabinsk che è esplosa sopra agli Urali in Russia nel febbraio 2013. Scarica qui) o guarda online presso https://goo.gl/xbFisl

Domande per attivare la discussione:

Mostrate il video di una meteora che esplode nel cielo. Discutete perché la meteora abbia fatto tanta strada nello spazio (nel vuoto) senza esplodere, e perché non è arrivata ad esplodere sulla superficie terrestre (ha incontrato la resistenza dell’atmosfera). Chiedere agli studenti di offrire alcune spiegazioni.

Altre discussioni potrebbe essere sviluppate attorno al fatto che l’aria è necessaria per la nostra vita, sfruttando a titolo di esempio gli astronauti che portano ossigeno con sé nello spazio. Gli studenti riescono a richiamare altri oggetti che contengono aria? (pneumatici di bici e macchine, bolle, palle da calcio…).

Domande suggerite

  • Si può vedere l’aria? Se ne può sentire l’odore, il sapore o la sensazione al tatto? (Probabilmente la risposta sarà no. Ma l’aria in movimento produce suoni e sensazioni, ad esempio in una giornata ventosa o vicino ad un ventilatore). Si può vedere l’aria se presenta impurità? (ad esempio si può vedere la polvere in un raggio di sole o del fumo).
  • Se svuotiamo questa stanza (rimuoviamo oggetti e persone), cosa rimane? (Niente? Ne siete sicuri? Rimane l’aria a riempire lo spazio vuoto).

Nota: Gli studenti prenderanno parte alle seguenti attività individualmente o in piccoli gruppi. Gli studenti dovranno discutere in piccoli gruppi o scrivere cosa pensano stia accadendo in ogni attività.

Attività 1: Riempire un palloncino d’aria

Passo 1

Prendete un palloncino e gonfiatelo (ad esempio riempitelo con dell’aria, ma senza farlo esplodere!)

Passo 2

Potete descrivere cosa accade? (Quando l’aria dai vostri polmoni entra all’interno del palloncino, occupa spazio. Il palloncino si espande perché l’aria al suo interno ha bisogno di spazio).

Attività 2: Riempire una siringa di aria e sentire la spinta dell’aria

Passo 1

Tirate lo stantuffo della siringa verso di voi, poi spingetelo di nuovo nel tubo della siringa. È stato facile? Cosa succedeva all’interno della siringa? (La siringa si è riempita di aria che è stata nuovamente spinta fuori).

Passo 2

Tirate di nuovo lo stantuffo, questa volta coprite l’altro lato della siringa con il vostro dito. Premete lo stantuffo. È stato facile? Cosa avete provato? Potete spiegare cos’è successo all’interno della siringa? C’è stata qualche differenza questa volta, se sì perché? (È facile spingere un pochino lo stantuffo, ma diventa più difficile perché l’aria intrappolata nella siringa resiste alla spinta. Più l’aria viene compressa, più è difficile spingere lo stantuffo).

Passo 3

Lasciate andare lo stantuffo. Cosa succede? (Lo stantuffo torna indietro e poi si ferma). Perché credete sia successo? (L’aria che era compressa nella siringa si ri-espande al suo stato originale e spinge lo stantuffo in fuori).

Attività 3: Controllare il movimento con una siringa collegata alle estremità di un tubo di plastica

Usando due siringhe della stessa dimensione:

Passo 1

Spingete lo stantuffo di una delle siringhe completamente e collegatela al tubo di plastica.

Passo 2

Spingete solo parzialmente lo stantuffo dell’altra e collegatela all’altra estremità del tubo di plastica (Questo è necessario per far sì che le siringhe non vengano espulse se gli studenti spingono con troppa foga).

Passo 3

Pensate a cosa potrebbe succedere quando spingete in dentro o tirate fuori lo stantuffo di una delle due siringhe. Ora sperimentate e osservate! (spingendo uno stantuffo in dentro, l’altro verrà spinto in fuori dall’aria)

Passo 4

Perché succede questo? (L’aria intrappolata in uno spazio ha la capacità di spostare oggetti se viene compressa)

Passo 5

È possibile confrontare gli spostamenti dei due stantuffi? (Si sono mossi di circa la stessa quantità)

Passo 6

Ripetete l’attività usando due siringhe di dimensioni diverse.

Passo 7

Pensate che anche questa volta gli stantuffi si sposteranno della stessa quantità? Provate! Cosa notate? C’è una qualche connessione tra la dimensione delle siringhe e la distanza di cui si spostano i loro stantuffi? (Se spingiamo lo stantuffo di una siringa più piccola, quello della siringa grande verrà spostato di poco, viceversa, una siringa più grande sposterà lo stantuffo di una più piccola di molto).

Attività 4: riempire una cannuccia con dell’acqua

Bloccate il fondo di una cannuccia stretta con un gommino adesivo tipo Pattafix. Cercate di riempire la cannuccia versando dell’acqua da sopra con contagocce. È stato difficile? Se sì, perché non è stato facile? (L’aria riempiva la cannuccia e non c’era spazio per dell’acqua). Rimuovete lentamente il gommino. Cosa succede e perché? (L’acqua inizia a scendere perché l’aria esce dal fondo della cannuccia).

Attività 5: fazzoletto asciutto in acqua

Passo 1

Appallottolate un fazzoletto in una palla e spingetelo fermamente sul fondo di un bicchiere alto in modo che non caschi se il bicchiere viene capovolto (un paio di fazzoletti ben compattati hanno meno possibilità di cadere di un singolo fazzoletto). Pensate a cosa potrebbe succedere al fazzoletto se il bicchiere viene immerso capovolto in acqua.

Passo 2

Capovolgete il bicchiere sottosopra e inseritelo nella ciotola contenente l’acqua facendo attenzione a non inclinarlo. Tiratelo fuori e tastate il fazzoletto. Cosa notate? Perché pensate che il fazzoletto non si sia bagnato? (L’aria ha impedito all’acqua di entrare nel bicchiere).

Passo 3

Discutete di dove possono esserci sacche di aria: tubi dell’acqua, canoe ribaltate, radiatori per il riscaldamento, ecc.

Passo 4

  • Discutete di cos’è un vuoto.
  • Come chiamate lo strato di aria che circonda la Terra? (Atmosfera)
  • Cosa succede quando gli oggetti impattano l’atmosfera? (La discussione può contenere argomenti come il calore causato dovuto all’attrito. Gli studenti possono sfregare o battere le mani – cosa sentono? Gli aerei prendono fuoco per l’intenso calore quando precipitano).
  • Pensate alle astronavi che ritornano a terra ad alte velocità dopo una missione nello spazio, cosa incontrano come prima cosa? (L’aria, l’atmosfera) Cosa pensate che debbano fare quando rientrano? (Rallentare). Altrimenti cosa accadrebbe? (Si distruggerebbe e brucerebbe).
  • Come pensate che le astronavi possano non prendere fuoco? (Sono coperte in materiali isolanti e rallentano durante il rientro).

Misure di sicurezza: Nell’attività 3 usate sempre siringhe sterili che non sono state usati per fini medici. State inoltre attenti alle dimensioni delle siringhe – una siringa grande può spingere una più piccola con una grande forza.

Matematica: Proporre queste domandi agli studenti 1) L’aria è una miscela di gas che consiste di azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon e altri gas

  • Approssimativamente che percentuale dell’aria consiste di (i) azoto e (ii) ossigeno?
  • Qual è approssimativamente il rapporto tra azoto e ossigeno nell’aria?
  • Puoi convertire queste percentuali in numeri decimali?

2) Nell’attività 3, usate due siringhe di diverse dimensioni connesse da un tubo, calcolate il rapporto tra le dimensioni delle due siringhe. Misura poi la distanza di cui le due siringhe si sono mosse.

  • C’è un legame tra questi due rapporti?
  • Investiga quale combinazione di siringhe dà il maggior movimento.

Analisi/Conclusioni: L’aria occupa spazio (anche se non la possiamo vedere).

Attività supplementare: riempire una bottiglia usando un imbuto

Passo 1

Appoggiate l’imbuto alla bocca di una bottiglia e chiedete agli studenti di pensare a cosa accadrà quando versano dell’acqua nell’imbuto.

Passo 2

Chiedete agli studenti di versare acqua nell’imbuto e osservate cosa succede (l’acqua riempirà la bottiglia).

Passo 3

Ora assicurate l’imbuto alla bottiglia in modo tale che non ci sia spazio tra i due. QUESTO SPAZIO DEVE ESSERE ERMETICO. Gli studenti dovranno pensare nuovamente a cosa accadrà una volta che verrà versata dell’acqua nell’imbuto. Fategli poi versare dell’acqua nell’imbuto. Nota: Può essere difficile ottenere una chiusura completamente ermetica. Un O-ring di gomma o una guarnizione, disponibili nei negozi di fai da te, posti attorno al collo dell’imbuto che dovrà poi essere spinto poi bene nella bottiglia può produrre un buon livello di ermeticità (anche del nastro adesivo stretto bene può funzionare).

Passo 4

Osservate cosa succede. Cosa vedete? Cosa sentite? Perché l’acqua ha fatto difficoltà ad entrare nella bottiglia? (L’aria occupava l’interno della bottiglia e si è opposta all’acqua). Cos’altro notate? (Se lo spazio tra imbuto e bottiglia è completamente ermetico, l’acqua non entrerà nella bottiglia perché l’aria è intrappolata al suo interno e si opporrà. Se vi è una leggera fuga di aria, vi sarà un suono – glug glug – dell’acqua che entra mentre le bolle di aria escono dalla fuga).

Gli studenti possono

  • Scoprire di più sul perché i radiatori in cui è presente dell’aria non riscaldano bene – restrizioni o impedimenti nel flusso (vedi anche air lock) e come l’aria viene rilasciata
  • Esplorare i cinque strati che compongono l’atmosfera – scoprire i loro nomi e a quale livello si trovano nuvole, aeroplani, lo strato di ozono, satelliti, la stazione spaziale ecc. Vedere la sezione ulteriori informazioni per link utili.

Lo sapevi che…?

Nell’ottobre 2014 l’astronave Dragon di Space X, mentre tornava a terra portando un carico di campioni biologici dalla Stazione Spaziale Internazionale (comprese alcune piante cresciute nello spazio), ha prodotto un intenso calore durante il rientro in atmosfera. La temperatura ha raggiunto quasi 3000° Fahrenheit (1649° Celsius). Fortunatamente l’astronave era protetta da uno scudo termico molto resistente.

Image credit: NASA/SpaceX

Lunedì 19 gennaio 2015 un fotografo amatoriale ha fotografato un bolide sopra l’isola di Dalkey nella Contea di South Dublin, in Irlanda. (foto pubblicata in Irish Examiner martedì 20 gennaio 2015).

“È sicuramente un bolide o una meteora molto brillante,” ha confermato David Moore, l’editore del giornale Astronomy Ireland. “Questi oggetti attraversano l’atmosfera a 70'000 miglia orarie (112’654 km/h), bruciando mentre entrano in atmosfera e sono estremamente rari da fotografare.”

Un pescatore è sopravvissuto 60 ore in una sacca d’aria sotto una canoa rovesciata fuori dalla costa della Nigeria nel maggio 2013.

Additional Information

I link proposti sono tutti in inglese e/o con riferimenti ad eventi nel regno unito.

Un’attività per scoprire in diversi strati dell’atmosfera terrestre: quanto alto è il cielo? http://astroedu.iau.org/activities/how-high-is-the-sky/

L’energia di acqua e vento http://www.primaryscience.ie/media/pdfs/col/dpsm_class_activity_air_water.pdf

Per una meteora entrata in atmosfera sopra il regno unito, vedere www.esero.org.uk/news/meteor-fireball-seen-across-the-uk

Per ulteriori informazioni sugli strati che compongono l’atmosfera vedere www.ducksters.com/science/atmosphere.php

Per un’investigazione dettagliata sull’attività del fazzoletto asciutto sott’acqua vedere l’”Aeronautics Educator’s Guide” della NASA: http://www.nasa.gov/pdf/205704main_Dunked_Napkin.pdf

Conclusion

In questa attività gli studenti possono investigare diversi scenari che dimostrano che un gas occupa spazio e possono imparare cosa succede quando gli oggetti entrano in atmosfera. L’attività può essere seguita da lezioni sull’atmosfera e i suoi differenti strati o attività riguardanti i gas serra.

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