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3...2...1... è tempo di razzi ad acqua!

Creato: 2024-12-06

Autore/i:
Jean Pierre Saghbini (UniversCiel Liban), Marc Bou Zeid (UniversCiel Liban)

Costruire e poi lanciare dei razzi è un'attività divertente per tutte le età, perché unisce l'emozione di vedere il lancio di un razzo con il piacere padroneggiare un problema da vero ingegnere. In questa attività gli studenti costruiranno i loro razzi ad acqua utilizzando materiali di uso quotidiano, e poi li lanceranno sperimentando da vicino quali sono i principi della fisica e dell'ingegneria interessati. L'attività sviluppa il pensiero critico, l'analisi dei dati, le capacità di comunicazione scientifica e le abilità artistiche, stimolando la passione per lo STEAM e incoraggiando la prossima generazione di scienziati e ingegneri. NOTA: Questa attività è stata proposta dal NAEC Team Lebanon nell'ambito del progetto di co-progettazione Sabir sviluppato dall'OAE Center Italy (Milano, 2-6 settembre 2024). Tradotto con DeepL.com (versione gratuita)

Materiali

In allegato trovate:

un Manuale dell'insegnante (pdf)
una presentazione per l'insegnante da utilizzare in classe (ppt)
un foglio di lavoro per gli studenti da stampare e utilizzare per registrare i risultati dei lanci (uno o più per ogni gruppo) (pdf)

Per ogni gruppo di studenti che costruisce un razzo ad acqua:

Bottiglia di plastica: scegliere bottiglie di bevande gassate in PET.
Cartone o gommapiuma, forbici, nastro adesivo, pennarelli o colori.
Acqua
Bastoncini di legno
Palline da tennis
Pompetta ad aria o pompetta da bicicletta possibilmente dotata di barometro (una da condividere per tutti i gruppi).
Tappo di sughero (può essere condiviso da tutti i gruppi)
Tubo di nylon (può essere condiviso per tutti i gruppi)
Pasta fissante (può essere condivisa da tutti i gruppi).

Immagine1: materiale necessario per i razzi ad acqua.

Obiettivi

Promuovere la creatività e la risoluzione dei problemi: incoraggia gli studenti a progettare e costruire i loro razzi, tenendo conto di fattori come la stabilità, l'aerodinamica e le prestazioni di volo.
Sviluppare il lavoro di squadra e la collaborazione: incoraggia bambine e bambini a lavorare in gruppo favorendo la comunicazione, la cooperazione e la capacità di risolver i problemi in modo collettivo.
Favorire il pensiero critico: incoraggia bambine e bambini ad analizzare i dati, a fare osservazioni e a trarre conclusioni dal lancio dei razzi, promuovendo il pensiero critico e il ragionamento scientifico.
Ispirare la passione per l'esplorazione e l'apprendimento: accende la curiosità e l'entusiasmo per la scienza, l'ingegneria e l'esplorazione spaziale attraverso un'attività emozionante e interattiva.
Offrire un'opportunità di creatività ed espressione personale: permettendo agli studenti di decorare e personalizzare i loro razzi, si favorisce la loro creatività e individualità.

Obiettivi di apprendimento

Applicare direttamente in modo pratico alcune leggi della fisica:

Principio di azione/reazione (terza legge di Newton)
Moto parabolico (seconda legge di Newton)
Forza di gravità

Contesto

Come funziona un razzo ad acqua?

Principio di azione/reazione (terza legge di Newton): Quando l'aria viene pompata nel razzo, si crea una pressione all'interno della bottiglia. L'uscita dell'aria dalla bottiglia provoca una reazione: l'acqua viene spinta fuori, spingendo il razzo verso l'alto.

Come si muove un razzo ad acqua una volta lanciato?

Moto parabolico: quando il razzo viene lanciato, supponiamo che si comporterà come un proiettile con una traiettoria di volo parabolica, dove l'unica forza da considerare è la gravità. Se applichiamo la seconda legge di Newton al razzo, troviamo mentre questo è in movimento la componente orizzontale della sua velocità è costante, e siamo quindi in grado di misurare o calcolare i parametri di volo.

Da tenere a mente: se un proiettile si muove ad alta velocità, dobbiamo considerare gli effetti della resistenza dell'aria, ma la maggior parte dei proiettili con cui abbiamo a che fare si muove abbastanza lentamente da poter trascurare questi effetti (proprio come nel caso dei razzi ad acqua).

Cosa accade con un razzo ad acqua lanciato in verticale?

L'ultima parte di questa attività è dedicata ai lanci verticali. In questo caso l'equazione della traiettoria è semplificata e saremo in grado di calcolare facilmente la velocità iniziale del lancio misurandone la durata (T), e ricavare quindi l'altezza massima raggiunta nel lancio.

In allegato trovate una guida per gli insegnanti con le nozioni di fisica e una presentazione ppt da utilizzare in classe per questa attività.

Descrizione completa

1. Introduzione e preparazione (orientamento)

Spiegare gli obiettivi dell'attività: gli astronauti sono bloccati nello spazio e contano su di voi. Dovete preparare, il prima possibile, una missione spaziale per salvarli. Quale sarà la cosa più importante da preparare? Un razzo. Nelle prossime tre ore la vita di questi astronauti dipenderà dalla vostra capacità di realizzare un progetto ottimale di un razzo da lanciare nello spazio, per raggiungere il punto più alto in assoluto.
Introdurre gli studenti al concetto di razzo ad acqua, evidenziando i principi della fisica e dell'ingegneria coinvolti (principio di azione/reazione e moto parabolico). È possibile utilizzare la presentazione powerpoint allegata.
Introdurre le formule che permetteranno agli studenti di calcolare l'altezza massima raggiunta dal razzo e la sua velocità iniziale nell'ultima parte dell'attività (opzionale).
Spiegare agli studenti che gli stessi principi che si applicano ai razzi ad acqua valgono anche per i veri razzi spaziali.
Sottolineare l'importanza del lavoro di squadra, della creatività e della sicurezza.

2. Costruzione del razzo (ideazione e investigazione)

Dividere gli studenti in squadre e distribuire i materiali (bottiglie di plastica, cartone o schiuma, forbici, nastro adesivo, pennarelli o colori, una pompetta ad aria o una pompetta da bicicletta, acqua).
Chiedere a ogni squadra di progettare e costruire il proprio razzo ad acqua. Possono iniziare a decorare la bottiglia di plastica con pennarelli o vernice per personalizzare i loro razzi.
Fissare la pallina da tennis all'estremità inferiore della bottiglia con il nastro adesivo per creare il cono e aggiungere un peso alla parte superiore del razzo.
Ritagliare le pinne di forma triangolare dal cartone o dalla schiuma con le forbici. Il numero di alette può variare fino a trovare il numero ottimale per una migliore stabilità.
Attaccare le alette all'estremità superiore della bottiglia (la parte inferiore del razzo) con il nastro adesivo, assicurandosi che siano distanziate in modo uniforme e fissate saldamente. Le alette aiutano a stabilizzare il razzo durante il volo.
Fissare i bastoncini di legno all'estremità superiore della bottiglia (la parte inferiore del razzo) con il nastro adesivo, assicurando che il razzo abbia un supporto elevato (rampa di lancio).
Praticare un foro nel tappo di sughero e farvi passare il tubo di nylon. Mettere del materiale di fissaggio intorno al tubo per evitare perdite d'aria. Il livello del tubo che passa attraverso il foro deve essere più alto del livello dell'acqua nella bottiglia se si utilizza una pompetta ad aria manuale. Se si tratta di una pompetta elettrica, il livello del tubo può essere più basso del livello dell'acqua.
Incoraggiare la creatività e la risoluzione dei problemi mentre le squadre sperimentano diverse forme, dimensioni e posizioni delle pinne per ottimizzare le prestazioni del razzo.

Immagine 2: costruzione del razzo. Crediti: UniversCiel

3. Preparazione pre-lancio

Predisporre un'area di lancio libera da ostacoli o impedimenti.
ATTENZIONE: spiegare con attenzione l'importanza della sicurezza e della distanza di sicurezza, soprattutto per l'atterraggio del razzo ad acqua (gli studenti devono stare a una distanza dai punti di lancio di minimo 3 m e fino a un massimo di 30 m di diametro, per garantire un luogo di atterraggio).
Riempire parzialmente d'acqua la bottiglia del razzo, lasciando un po' d'aria in cima. La quantità esatta d'acqua può variare e gli studenti devono trovare il fattore di riempimento ottimale da utilizzare.
Collegare il meccanismo di pressurizzazione (la pompetta d'aria o la pompetta da bicicletta) al tappo del razzo, assicurando una chiusura ermetica. Tenere presente che la pressione di tenuta varierà e avrà anche un impatto sulla pressione iniziale e sulla velocità, influendo sul raggiungimento dell'altezza massima.

Immagine 3: configurazione del razzo ad acqua. Crediti: www.careersportal.co.za

4. Sperimentare il lancio a diverse angolazioni

Radunare tutte le squadre nell'area di lancio designata, mantenendo una distanza di sicurezza dal punto di lancio.
Una squadra alla volta lancerà il razzo progettato.
Con la supervisione di un adulto, pressurizzare con cura il razzo pompando aria nella bottiglia fino a raggiungere la pressione desiderata. La pressione aumenta quando l'aria comprime l'aria rimanente e l'acqua all'interno della bottiglia.
Far partire un conto alla rovescia per aumentare l'entusiasmo degli studenti (3...2...1...GOOOOO)
Osservare il decollo del razzo quando l'aria pressurizzata spinge l'acqua fuori dall'apertura della bottiglia, generando una spinta e spingendo il razzo verso il cielo.
Incoraggiare i bambini a osservare le traiettorie del razzo e le sue caratteristiche di volo, come tempo, altezza, velocità e stabilità.
Chiedere agli studenti di lanciare i razzi a diverse angolazioni e osservare le differenze di altezza e distanza del volo. Questa fase è esplorativa e permette agli studenti di vedere in che modo l'angolo influisce sulla traiettoria.

5. Calcolare l'altezza e la velocità del lancio verticale (opzionale).

Chiedere alle squadre di effettuare solo lanci verticali (a 90°), misurando il tempo di volo e scrivendolo nella tabella del Foglio di lavoro per studenti.
Applicare le formule per calcolare l'altezza massima raggiungibile e la velocità iniziale dei razzi lanciati in verticale.
Dopo ogni lancio, favorire la discussione e incoraggiare gli studenti a condividere le loro osservazioni e intuizioni: discutere i fattori che influenzano il volo del razzo, come il design e l'importanza delle alette, la quantità di acqua e la pressione applicata.
Incoraggiare il pensiero critico ponendo domande sulle forze in gioco, come il ruolo della pressione dell'aria e delle leggi di Newton nella propulsione e nel volo dei razzi (principio di azione/reazione).
Incoraggiare le squadre a modificare i progetti dei razzi, la quantità d'acqua e la pressione e a effettuare più lanci, confrontando i risultati e iterando i progetti per migliorare le prestazioni.

Immagine 4: preparazione per un lancio verticale. Crediti: UniversCiel

Riflessione: (Discussione)

Incoraggiare gli studenti a riflettere sulle loro esperienze, ponendo domande. Chiedere loro quale sia il razzo migliore per raggiungere gli astronauti bloccati.

Guardare questo video per vedere il lancio di un razzo:

https://youtube.com/shorts/6Bq-uko5It8

Valutazione

Possibili approcci di valutazione da seguire:

Osservazioni: osservare l'impegno, la collaborazione e il rispetto dei protocolli di sicurezza da parte degli studenti durante l'attività.
Valutazione delle prestazioni: valutare le prestazioni dei razzi in base a criteri quali la stabilità, l'altezza raggiunta, la durata del volo, la pressione massima e la precisione della traiettoria (per farlo utilizzare la tabella contenuta nel documento allegato sotto).
Analisi dei dati e riflessione: chiedete agli studenti di analizzare i dati raccolti durante l'attività e di interpretare i risultati, identificare i modelli e infine fare collegamenti con i principi scientifici discussi.
Comprensione concettuale: valutare la comprensione degli studenti dei concetti scientifici relativi all'attività attraverso quiz, mappe concettuali o spiegazioni scritte. Valutare la loro capacità di spiegare i principi di movimento del razzo, le forze coinvolte e la relazione tra variabili come il volume dell'acqua, la pressione dell'aria e le prestazioni del razzo.
Comunicazione e presentazione: chiedete agli studenti di presentare alla classe o a piccoli gruppi i loro progetti dei razzi, i risultati del lancio e le loro personali scoperte scientifiche. Valutate la loro capacità di comunicare efficacemente le idee, di usare un vocabolario scientifico appropriato e di trasmettere la loro comprensione dei concetti coinvolti.
Integrazione con il curriculum: valutate l'integrazione dell'attività con il programma scolastico, tenendo conto dell'allineamento con gli obiettivi di apprendimento, gli standard di contenuto e lo sviluppo di competenze specifiche nell'ambito delle scienze, della tecnologia, dell'ingegneria e della matematica, in particolare della fisica del moto parabolico.

Programma didattico

Scienze: l'attività del razzo ad acqua permette agli studenti di esplorare concetti scientifici come le leggi di Newton sul moto, le forze e il movimento, l'aerodinamica, la pressione e l'equazione di Bernoulli. Gli studenti potranno osservare in che modo questi principi entrano in gioco durante il lancio e il volo del razzo.
Fisica: l'attività fornisce un'applicazione pratica dei principi della fisica, tra cui propulsione, spinta, traiettoria (moto parabolico), gravità e trasferimento di energia. Gli studenti possono analizzare le forze coinvolte nel movimento del razzo e capire come queste influiscono sulla traiettoria di volo del razzo.
Matematica: gli studenti possono cimentarsi in calcoli matematici e analisi dei dati misurando le distanze di lancio, registrando i tempi di volo e tracciando un grafico della relazione tra variabili come il volume dell'acqua, la pressione dell'aria e le prestazioni del razzo. Possono anche analizzare i dati per identificare modelli e fare previsioni.

Informazioni aggiuntive

Questa attività è stata proposta dal NAEC Team Lebanon nell'ambito del progetto di co-progettazione Sabir sviluppato dall'OAE Center Italy (Milano, 2-6 settembre 2024). Per maggiori informazioni: link alla pagina web del Centro OAE Italia dedicata al progetto .

Questa attività è disponibile in altre lingue: Francese, arabo, turco, spagnolo, inglese, sloveno (in arrivo).

Altri Approfondimenti

“A guide to building and understanding the physics of water rockets” - Michael de Podesta - NPL – June 2007
US Water Rockets: http://www.uswaterrockets.com/
The Water Rocket Achievement World Record Association: http://www.wra2.org/

Educational Activity

Sviluppato originariamente in

Lebanon