OGGETTI E CONCETTI: forza e interazione

1. OGGETTI E CONCETTI: forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 • forza e interazione • direzione delle forze: il vettore forza Lanciare piccoli oggetti La fionda • l’interazione Terra-oggetto • forza di gravità e forza peso • massa e forza peso Scoprire la forza di gravità La bottiglia e la gravità Il dinamometro • misura di una forza dai suoi effetti • elasticità Tarare un elastico Una bilancia che funziona in uno strano modo Far cambiare il “peso” • massa e forza peso Giochi su una bilancia da bagno • azione e reazione • trasmissione delle forze Pesare “di meno” o “di più” • azione e reazione • attrito Tirare per vincere Tiro alla fune D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2003 – 2004” Forza e interazione-1

2. Forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Consegna: tutto quello che si può fare con elastici, bastoncini, bilance da bagno, metro a nastro, palline e oggetti vari • Occhiello forza • forze ugualiproduconoeffetti uguali, • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti, • con ildinamometrosi misura una forza misurandol'allungamentoche essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico, • il dinamometro deve esseretaratomisurando gli allungamenti prodotti daforze note, • una forza nota è ad esempio la forza-peso che agisce su un nel SI, l'unità di misuradella forza è ilnewton(N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg. • Azione e reazione • le forzesono sempre "accoppiate"; se una persona/cosa fa forza (azione) su un'altra persona/cosa, quest'ultima applica a sua volta alla prima unaforza uguale e diretta in versoopposto (reazione), • azione e reazione sono perciòapplicate a due oggetti diversi • è importante, nel rappresentare le forze di azione-reazione mediante frecce, prestare molta attenzione alpunto di applicazionedi ciascuna forza, oltre che alla sua intensità e direzione: la freccia va posta con la “coda” il più vicino possibile al punto di applicazione, • nel comporre le forze applicate a un certo oggetto, in presenza di forze di azione e reazione, è importante tenere conto solo delle forze applicate a quell'oggetto e non delle forze di azione o reazione che quell'oggetto esercita su altri oggetti. F 0,1 kg 9,8 m/s2 0,98 N 1 N Forza e interazione-2

3. Forza e interazione Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 1 N è circa pari alla forza-peso di un oggetto di 0,1 kg F 0,1 kg 9,8 m/s2 0,98 N 1 N Forza e interazione-3

4. Forza e interazione: la fionda Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Forzadito-elastico Oggetti: un bastoncino robusto a forma di Y, un elastico, alcune palline (di plastica leggera o di carta appallottolata) • Attività: • tenere il manico della fionda con una mano • con l’altra tirare l’elastico stringendo la pallina tra le dita • individuare i soggetti/oggetti dell’interazione • scegliere la giusta orientazione prima di lasciare andare la pallina Forzamano-bstoncino • Concetti: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono • per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione • la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc., Attacco (spunti e continuità): - gare di lanci Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • www.iapht.unito.it (L) • www.funsci.com(L) • Aspetti didattici: • - per far forza occorre essere in due • ci sono diversi tipi di forze, cioè diversi modi di interagire (muscolare, elastica, forza-peso) • relazione tra le distanze di lancio e la forza, l’allungamento dell’elastico e il tipo di pallina Forza e interazione-4a

5. Forza e interazione: la fionda Forzamano-bstoncino • La fisica: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • il "nome" della forza deve rispecchiare il nome dei due oggetti che interagiscono • per individuare completamente la forza occorre definirne anche la direzione e il punto di applicazione • la forza è un vettore e si rappresenta con una freccia avente la “coda” nel punto di applicazione • riconosciamo le forze dai loro effetti: mettere in moto, accelerare, rallentare, fermare, allungare, deformare, ecc. Forzadito-elastico Contesto: - è importante che ogni ragazzo costruisca la propria fionda, perché l’appropriazione dell’oggetto comporta e favorisce l’appropriazione del concetto - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare - l’analisi dei lanci con la fionda consente di affrontare problematiche legate alla metrologia ( misura di lunghezze) o alla taratura di uno strumento (taratura dell’elastico) Forza e interazione-4b

6. Forza e interazione: la bottiglia e la gravità Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: un elastico, una bottiglia di plastica o altri oggetti pesanti, un gancio a S • Attività: • mettere acqua nella bottiglia per appesantirla • appenderla all’elastico con il gancio a S • osservare l’allungamento dell’elastico in relazione alla quantità di acqua Forzabottiglia-elastico ForzaTerra-bottiglia • Concetti: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • tutti i corpi, lasciati liberi, cadono verso il basso a causa dell’interazione con la Terra • la forza di gravità o forza-peso è appunto la forza che caratterizza l’interazione fra l’oggetto e la Terra (FTerra-oggetto ) • la forza di gravità o forza-peso non è una proprietà dell’oggetto ma della sua interazione con la Terra • per riferirsi a tale interazione, la parola “peso” è ambigua, è meglio usare l’espressione “forza-peso” • per riferirsi invece alla quantità di materia che costituisce il corpo, occorre usare la parola “massa” per evitare l’ambiguità della parola “peso” Attacco (spunti e continuità): - quella attrazione misteriosa verso il basso …. Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • www.iapht.unito.it (L) • www.funsci.com(L) Aspetti didattici: - anche la forza di gravità è l’espressione di un’interazione fra due corpi, uno dei quali è la Terra - evitare possibilmente la parola “peso” Forza e interazione-5a

7. Forza e interazione: la bottiglia e la gravità • La fisica: • la forza è una grandezza fisica che caratterizza non un oggetto, ma una interazione • tutti i corpi, lasciati liberi, cadono verso il basso a causa dell’interazione con la Terra • la forza di gravità è appunto la forza che caratterizza l’interazione fra l’oggetto e la Terra (FTerra-oggetto ) • essa non è una proprietà dell’oggetto ma della sua interazione con la Terra • in assenza di altre interazioni essa diventa la forza-peso, cioè la forza che attira l’oggetto verso il basso • per riferirsi a tale interazione, la parola “peso” è ambigua, è meglio usare l’espressione “forza-peso” • per riferirsi invece alla quantità di materia che costituisce il corpo, occorre usare la parola “massa” per evitare l’ambiguità della parola “peso” Forzabottiglia-elastico ForzaTerra-bottiglia • Contesto: • la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare • - osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Forza e interazione-5b

8. Forza e interazione: il dinamometro Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti:un elastico, un metro a nastro di carta e una serie di oggetti tutti uguali che si possano appendere facilmente • Attività: • quando l'elastico è scarico, segnare sul nastro lo "zero" in corrispondenza della sua fine • appendere poi un oggetto (ad esempio, una bottiglietta piena d’acqua) e segnare una prima tacca in corrispondenza della fine dell'elastico, una seconda tacca in corrispondenza di due oggetti appesi, e così via • ricordare di indicare sempre l'unità dimisura usata • organizzare i dati in una tabella e costruire il grafico di taratura Attacco (spunti e continuità): quanto forte è “braccio di ferro”? Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Concetti: • ·forze uguali producono effetti uguali • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti • · con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico • ·  nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg • sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con gli allievi perché può essere confusa con l’unità di misura della massa (kg) • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • - S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività di Laboratorio Scientifico (A) • www.iapht.unito.it (L) • Aspetti didattici: • con la taratura l'elastico diventa un dinamometro, tarato in unità di forza-peso degli oggetti appesi • unità di misura di una forza arbitrarie (numero di bottigliette appese, …) e convenzionali (sistema SI) Forza e interazione-6a

9. Forza e interazione: il dinamometro Forza e interazione-6b • La fisica: • forze uguali producono effetti uguali • per confrontare/misurare le forze confrontiamo/misuriamo i loro effetti • con il dinamometro si misura una forza misurando l'allungamento che essa produce quando è applicata a una molla o a un elastico • nel SI, l'unità di misura della forza è il newton (N), che è circa pari alla forza-peso di un oggetto di massa 1 hg • sovente viene usata l’unità “chilogrammo-peso” • (simbolo kgp) che però andrebbe evitata con gli • allievi perché può essere confusa con l’unità di • misura della massa (kg) grafico di taratura volume (ml) 0 100 200 300 400 500 forza (N) 0 1 2 3 4 5 lungh. (cm) 20 22 24,5 28 32 38 • Contesto: • la discussione circa la necessità della taratura dell’elastico è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo di scuola elementare • osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e alla situazione didattica • - la rappresentazione grafica dei dati raccolti (grafico di taratura)e la relativa interpretazione è consigliata in modo particolare per una terza media, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore Forza e interazione-6b

10. Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo Fdita-bottiglia FTerra-bottiglia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una bilancia da cucina, una bottiglietta, un dinamometro • Attività: • mettere la bottiglietta contenente acqua sulla bilancia e pesarla • sollevarla lentamente tenendola per la cima e osservare come cambia il “peso” • eventualmente sollevarla tenendola con un dinamometro e misurare contemporaneamente la forza che il dinamometro registra e la variazione di forza peso • individuare tutte le forze che agiscono sulla bottiglietta mentre la si solleva • Concetti: • massa e forza peso • la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia ) Attacco (spunti e continuità): - gare di forza • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • www.iapht.unito.it (L) • Aspetti didattici: • individuare tutte le forze • distinguere fra massa e forza peso Forza e interazione-7a

11. Forza e interazione: una bilancia che funziona in uno strano modo Fdita-bottiglia FTerra-bottiglia • La fisica: • massa e forza peso • la massa della bottiglietta non cambia quando la si solleva, cambia invece la forza peso perché la bottiglietta si trova a “interagire” con le dita che la sollevano (Fdita-bottiglia ) oltre che con la Terra (FTerra-bottiglia ) • questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani) • le forze si compongono (somma vettoriale, cioè somma che tiene conto della direzione) • le forze si trasmettono (in questo caso dalla bottiglietta alla bilancia) • nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 100 g di massa corrisponde circa 1 N! Contesto: - la conduzione dell’ attività, a livello qualitativo, è fattibile a partire dalla prima media - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-7b

12. Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno F……. Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Felastico-ragazzo F……. Oggetti: due bilance da bagno, un elastico tarato, una riga pieghevole FTerra-ragazzo • Attività: chiedere • a due studenti di salire ciascuno su una bilancia da bagno e di “leggere” la propria massa e convertirla in unità di forza • a uno di loro di tirare verso il basso l’elastico, che l’altro sta invece tirando verso l'alto • di leggere nuovamente la propria massa e convertirla in unità di forza • confrontare la variazione con la forza applicata dall’elastico Attacco (spunti e e continuità): attività ludiche in coppia Sicurezza Utilizzando gli elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Concetti: • in un oggetto solido le forze si trasmettono da un punto all'altro mantenendo la loro direzione • azione e reazione Riferimenti (dove, come e per chi): - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) - www.iapht.unito.it (L) • Aspetti didattici: • nel rappresentare mediante frecce le forze che si trasmettono, prestare molta attenzione a indicare correttamente i punti di applicazione, la direzione, l‘ origine e il destinatario di ciascuna forza Forza e interazione-8a

13. Forza e interazione: giochi su una bilancia da bagno F elastico-amica Forza e interazione-6b F elastico-ragazzo • La fisica: • la massa dei due ragazzi non cambia quando tirano l’elastico, cambia • invece la loro forza peso perché si trovano a “interagire” fra di loro attraverso • l’elastico (Felastico-ragazzo, Felastico-amica ) oltre che con la Terra (FTerra-ragazzo, FTerra-amica) • questo mostra che la forza peso di un corpo dipende dall’insieme di tutte le interazioni che avvengono fra il corpo e gli oggetti che lo circondano (vicini e lontani) • le forze si compongono; la somma è vettoriale, cioè tiene conto della direzione: • Fpesoragazzo = FTerra-ragazzo- Felastico-ragazzo; Fpesoamica = FTerra-amica+ Felastico-amica • usando un elastico tarato, si può verificare che la “nuova” forza peso è uguale alla precedente più (o meno) la forza F corrispondente all’allungamento dell’elastico • (F=Felastico-ragazzo= Felastico-amica) • le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di uno dei due, attraverso l’elastico, alla mano dell’altro) • azione e reazione • nota bene: per convertire la lettura della bilancia da unità di massa a unità di forza peso, tener conto che, ad esempio, a 100 g di massa corrisponde circa 1 N! FTerra-amica F Terra-ragazzo Contesto: -l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-8b

14. Forza e interazione: tiro alla fune F……. Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una lunga fune, una bandierina, una stuoia antiscivolo FMonica-fune • Attività: • fissare la bandierina a metà della fune • chiedere a due studenti di afferrare le due estremità, poi di allungarla e tirarla in direzioni opposte • lasciare che tirino la fune restando sul pavimento liscio • poi fare ripetere l’esercizio dopo avere messo la stuoia sotto i piedi di uno di loro (possibilmente il “più debole” Attacco (spunti e continuità): - gare di forza Sicurezza Utilizzando funi od elastici, si presti particolare attenzione nella eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o di certi tipi di handicap • Concetti: • direzione delle forze • azione e reazione • attrito • Riferimenti (dove, come e per chi): • - G. Meraviglia, A. Pallotti – Tirare, spingere, sollevare – Laboratorio minimo di Mario Lodi - Editoriale Scienza, Trieste, 1998(C) • - B. Knapp – Quanto misura? – Osservatorio, Editoriale Scienza, Trieste, 1994 (C) • www.iapht.unito.it (L) • Aspetti didattici: • forze “visibili” (muscolari degli studenti) e “non visibili” (elastica, di gravità, studente-pavimento, pavimento-studente…) Forza e interazione-9a

15. Forza e interazione: tiro alla fune G M FM-G FG-M • La fisica: • le forze si trasmettono (in questo caso dalla mano di una delle due, attraverso la fune, alla mano dell’altra) • azione e reazione: le forze sono uguali e contrarie, ma applicate a persone diverse (FM-G = FG-M) • ogni ragazza è in equilibrio perché interagisce con il pavimento con una forza uguale e contraria alla forza di interazione con la fune (FG-M = Fpav-M) • nell’interazione fra le scarpe e il pavimento gioca un ruolo essenziale l’attrito • nota bene: perché un corpo sia in equilibrio occorre che la risultante delle forze applicate sia nulla Fpav-G Fpav-M Contesto: - l’ attività, a livello ludico e qualitativo, è fattibile a tutti i livelli - la conduzione dell’ attività “dare un nome alle forze” è fattibile a tutti i livelli, a partire anche dal secondo ciclo della scuola elementare - osservazioni più impegnative finalizzate anche alla elaborazione di un modello che rappresenti il fenomeno, vanno adattate alla classe e al momento (anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore) Forza e interazione-9b