Alla scoperta dell’atmosfera: l’aria occupa spazio!

Comprendere il fatto che i gas occupano spazio, con collegamenti a situazioni reali che ne forniscono le prove.

• Gli studenti sperimenteranno con siringhe, palloncini e acqua per esplorare concetti relativi all’aria
• Gli studenti capiranno che i gas, come l’aria, occupano dello spazio

Ad ogni passo dell’attività i ragazzi saranno incoraggiati a rispondere a domande e discutere le loro ipotesi con l’insegnante. Dopo ogni attività si discuterà con la classe cosa è accaduto. Quali spiegazioni si possono dare? I ragazzi hanno ragionato in maniera appropriata su come l’aria muove e spinge? Si conclude che l’aria, anche se non riusciamo a vederla, occupa spazio

• Palloncini
• Siringhe di plastica (ma senza l’ago) di due misure differenti per gruppo
• Cannucce sottili, pipette di plastica, adesivo da poster, acqua
• Una ciotola d’acqua, bicchieri o tazze di plastica, fazzoletti di carta

L’aria occupa spazio

Uno strato d’aria, che chiamiamo atmosfera, circonda la Terra come una coperta pesante. Le piante e gli animali usano l’aria dell’atmosfera per sopravvivere. Anche se l’atmosfera si estende fino a grande distanza dalla Terra, l’aria è quasi tutta concentrata nei 5 km più bassi dell’atmosfera, perché la gravità agisce anche sull’aria spingendola verso la superficie della Terra. Più si sale nell’atmosfera, e più questa diventa sottile. Questo significa che più si sale in quota, più ogni respiro contiene meno aria (e quindi meno ossigeno) e gli scalatori in alta montagna hanno sempre maggior difficoltà a respirare. L’aria è fatta di una varietà di gas (soprattutto azoto e ossigeno) e altre particelle. Una meteorite o un razzo provenienti dallo spazio (dove c’è poca aria o il vuoto), avvicinandosi alla Terra ad alta velocità, possono addirittura esplodere quando entrano in contatto con l’atmosfera, perché l’impatto con questa “coperta” di aria che chiamiamo atmosfera può rilasciare parecchio calore. Le meteoriti di solito si bruciano e si disintegrano completamente quando sbattono contro l’atmosfera terrestre (ma qualche volta le più grosse sopravvivono e creano grandi ammaccature sulla terra, dette crateri). Ovviamente non è bene che una navicella spaziale (che viaggia molto veloce, ad esempio a 28 mila km all’ora) si bruci quando rientra nell’atmosfera terrestre e per evitare ciò si usano vari rimedi, come rivestimenti isolanti e sistemi di rallentamento.

Preparazione

Sarebbe bene riuscire a proiettare un video che mostri un meteorite che esplode entrando nell’atmosfera; ad esempio quello di Chelyabinsk che esplose sugli Urali in Russia nel febbraio del 2013 si trova qui (da scaricare o vedere on line): https://goo.gl/xbFisl

Domande per iniziare la discussione

Mostrate il video di un meteorite che esplode alto nel cielo. Discussione: come mai il meteorite ha percorso una grossa distanza nello spazio lontano (nel vuoto!) senza esplodere, e come mai non ha aspettato di colpire la superficie della terra per esplodere (lo ha fatto quando è entrato nell’atmosfera); chiedete agli studenti di ipotizzare qualche spiegazione possibile.

Si discute anche del fatto che noi abbiamo bisogno dell’aria per respirare e mantenerci in vita; gli astronauti si portano l’ossigeno nello spazio. Ai ragazzi vengono in mente oggetti in cui c’è aria immagazzinata (palloni da calcio, pneumatici di auto e gomme di bicicletta, bolle, …)

Possibili domande per innescare la discussione:

• Puoi vedere l’aria? Sentirne l’odore, sentirla, toccarla, assaggiarla? (probabilmente no, ma si può ascoltare e sentire l’aria che si muove, ad esempio in una giornata ventosa o vicino a un ventilatore. E puoi vedere le impurità contenute nell’aria: particelle di polvere illuminate da una lama di luce, fumo)
• Se porti via da questa stanza tutti gli oggetti e tutte le persone, cosa resta (niente? Sicuri?)

Nota: gli studenti svolgeranno le attività che seguono individualmente o in piccoli gruppi. Dovrebbero discutere in piccolo gruppo o scrivere quel che pensano stia succedendo durante le varie fasi dell’attività

Attività 1: Riempire un Pallone di aria

Step 1:

Gonfiate un palloncino (cioè riempitelo di aria ma senza farlo scoppiare)

Step 2:

Potete descrivere quel che accade? (quando l’aria proveniente dai tuoi polmoni entra nel palloncino, prende spazio. Il palloncino si gonfia perché l’aria occupa spazio)

Attività 2: Riempire d’aria una siringa e sentire l’aria che spinge

Step 1:

Tirate lo stantuffo della siringa verso di voi, poi spingetelo di nuovo. È facile? cosa accade all’interno della siringa? (la siringa si è riempita d’aria, che poi è stata spinta di nuovo fuori)

Step 2:

Tirate di nuovo lo stantuffo, ma questa volta tappando la siringa con il dito. Cercate anche di abbassare lo stantuffo, sempre con la siringa tappata. Adesso è facile come prima? Cosa avete sentito? Sapete spiegare cosa è accaduto all’interno della siringa? C’era differenza rispetto a prima, e se si perchè? (all’inizio riuscite a spingere un pochino lo stantuffo abbastanza facilmente, ma poi diventa difficile, perché l’aria intrappolata dentro la siringa fa resistenza. Più l’aria nella siringa viene compressa e maggiore è lo sforzo necessario per spingere lo stantuffo)

Step 3:

Ora lasciate andare lo stantuffo: che succeede? (“salta” indietro e poi si ferma). Perchè pensate che succeda? (l’aria che era stata compressa all’interno della siringa, si espande per tornare al suo stato originario e spinge in fuori lo stantuffo).

Attività 3: Controllo dei movimenti di due siringhe collegate da un tubicino

Usando due siringhe uguali:

Step 1:

Spingete lo stantuffo bene in fondo alla siringa e attaccate il tubicino.

Step 2:

Spingete lo stantuffo della seconda siringa a metà, non fino in fondo, e attaccate l’altra estremità del tubo a questa siringa (questo è per fare in modo che i tubicini non si stacchino)

Step 3:

Fate previsioni: cosa accade alla prima siringa se si spinge lo stantuffo della seconda, in un verso o nell’altro? Fate le prove! (la seconda siringa si muove).

Step 4:

Perché? (L’aria intrappolata ha il potere di spostare le cose!).

Step 5:

Potete confrontare quanto si spostano entrambe le siringhe? (Approssimativamente lo stesso)

Step 6:

Ripetete questa attività usando due siringhe di taglia diversa.

Step 7:

Pensate che si sposteranno della stessa distanza questa volta? Provate! Cosa notate? C’è una concessione tra la grandezza della siringa e lo spostamento? (la siringa più piccola sposta la grande di poco, la siringa più grande produce uno spostamento maggiore)

Attività 4: Riempite d’acqua una cannuccia da sopra

Tappate l’estremità di una cannuccia sottile con un pezzo di blu tack (o plastilina). Poi riempite la cannuccia di acqua usando la pipetta. È stato difficile? Perchè? (c’era l’aria a disturbare). Togliete il tappo di blu tack o plastilina. Che succede e perchè? (L’acqua scende perchè l’aria ora può uscire).

Attività 5: fazzoletto asciutto sott’acqua.

Step 1:

Accartocciate alcuni fazzoletti di carta e incastrateli sul fondo di un bicchiere o tazza, in modo che non cadano se si rovescia la tazza (se ne usate più di uno è più facile). Fate previsioni di quello che accade ai fazzoletti e all’acqua se infilate la tazza capovolta in una bacinella piena d’acqua.

Step 2:

Ora rovesciate e immergete completamente la tazza nell’acqua e osservate cosa accade al fazzoletto quando la tirate fuori. Cosa notate? Perchè il fazzoletto non si è bagnato? (l’aria ha fatto in modo che l’acqua non potesse entrare nella tazza)

Step 3:

Discutete dove possono trovarsi delle tasche d’aria: nei tubi, in una canoa quando si capovolge, nei termosifoni, ecc.

Step 4:

Discussione: cos’è il vuoto?

• Come si chiama lo strato di aria che avvolge la terra (atmosfera)
• Cosa accade quando gli oggetti si scontrano con l’atmosfera? (qui la discussione può riguardare anche il calore causato dall’attrito con l’atmosfera; i ragazzi possono strusciare o battere le mani, cosa si sente? Gli aeroplani prendono fuoco quando precipitano per via del calore intenso che si sviluppa a causa dell’attrito con l’aria)
• Pensa alle astronavi che rientrano a Terra a gran velocità dopo una missione spaziale cosa incontrano prima? (l’aria, cioè l’atmosfera). Cosa occorre che facciano (Rallentare). Altrimenti che succede (prendono fuoco)
• Oppure come pensi che una navetta spaziale possa evitare di prendere fuoco? (è protetta da materiali isolanti e anche viene fatta rallentare)

Sicurezza: nell’attività 3 usate sempre siringhe sterili che non siano state usate per scopi medici. State attenti alle dimensioni della siringa perché una siringa grande può spingerne una piccola con molta forza

Matematica - Fate agli studenti queste domande: 1) l’aria è una miscela di gas contenente [azoto, idrogeno,] anidride carbonica, argon e piccole quantità di altri gas:

• Approssimativamente qual è la frazione di (i) azoto e (ii) idrogeno nell’aria?
• Qual è il rapporto azoto/ossigeno nell’aria?
• Convertite in decimali le percentuali sopra 2) nell’esperimento 3 avete usato due siringhe diverse collegate con il tubicino:
• Calcolate il rapporto tra le dimensioni delle siringhe. Poi misurate le distanze di cui si sono spostate le siringhe. C’è un collegamento tra queste due grandezze?
• Analizzate qual è la combinazione di siringhe che le fa spostare di più.

Attività di follow-up: riempire una bottiglia usando l’imbuto

Step 1:

Mettete l’imbuto nell’apertura della bottiglia e chiedete aglii studenti cosa accade quando si versa l’acqua nell’imbuto

Step 2:

Gli studenti versano acqua nell’imbuto e osservano quel che accade (l’acqua riempie la bottiglia)

Step 3:

Ora fate in modo di sigillare gli spazi tra l’imbuto e la bottiglia in modo che l’aria non possa uscire dalla bottiglia dai lati esterni dell’imbuto (ad esempio con la plastilina o con nastro isolante). Di nuovo i bambini, dopo aver fatto previsioni su ciò che si aspettano che accada, verseranno acqua nell’imbuto. Nota: potrebbe non essere semplice attaccare l’imbuto alla bottiglia a tenuta d’aria. Un anello di gomma (si trovano nei negozi fai da te) potrebbe aiutare, mettendolo intorno al collo dell’imbuto prima di inserirlo nella bottiglia, oppure il nastro isolante.

Step 4:

Osservate con i ragazzi quel che accade. Cosa si vede? Cosa si sente? Perchè l’acqua fa fatica ad entrare? (l’aria nella bottiglia ostacola l’ingresso dell’acqua). Cos’altro potete notare? (se siete riusciti a sigillare completamente l’imbuto ed il collo della bottiglia l’acqua non entra per niente, perché l’aria contenuta nella bottiglia non ha modo di uscire; altrimenti se c’è una piccola possibilità di fuoriuscita dell’aria sentirete un suono tipo glu-glu, dovuto a un po’ di acqua che riesce ad entrare mentre alcune bolle di aria riescono ad uscire dalla bottiglia)

I ragazzi possono:

• Cercare informazioni sui termosifoni che non si scaldano abbastanza per via dell’aria che rimane intrappolata al loro interno, e come si fa a liberare quell’aria.
• Esplorare i 5 diversi strati che formano l’atmosfera, cercando come si chiamano, a che punto più o meno si trovano le nuvole, gli aeroplani, lo strato di ozono, i satelliti, la stazione spaziale internazionale, ecc.

Lo sapevate?

Nell’ottobre del 2014 la navetta spaziale Space X Dragon, che rientrava a terra con un carico di campioni biologici (incluse alcune piante cresciute nello spazio) provenienti dlala Stazione Spaziale Internazionale, si riscaldò moltissimo entrando nell’atmosfera. Raggiunse una temperatura di quasi 1649° (Celsius), ma non si incendiò grazie a uno scudo termico molto resistente.

Image credit: NASA/SpaceX

Martedì 19 gennaio 2015 un fotografo amatoriale catturò l’immagine di una palla infuocata sopra l’isola di Dalkey a sud di Dublino (Foto da Irish Examiner 20 January 2015). È decisamente una “fireball” [meteora particolarmente brillante, n.d.t] o una meteora” ha confermato David Moore, direttore del giornale Astronomy Ireland. “questi oggetti entrano nell’atmosfera a 70.000 miglia orarie [più di 110.000 km/h, ndt], incendiandosi quando entrano e sono eventi che riusciamo a fotografare assai raramente.”

Un pescatore è sopravvissuto per 60 ore in una sacca d’aria sotto una barca capovolta al largo della Nigeria a maggio del 2013.

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our fragile planet, atmosphere

National Curricula

UK, KS2: Year 5, science: forces UK, KS2: Year 4, science: states of matter UK, KS1, science: working scientifically

• Un’attività per scoprire I diversi strati dell’atmosfera: quant’è alto il cielo? http://astroedu.iau.org/activities/how-high-is-the-sky/
• La forza dell’aria e dell’acqua http://www.primaryscience.ie/media/pdfs/col/dpsm_class_activity_air_water.pdf
• un meteorite che entra nell’atmosfera terrestre sopra il Regno Unito www.esero.org.uk/news/meteor-fireball-seen-across-the-uk
• Per approfondimenti sugli strati che compongono l’atmosfera www.ducksters.com/science/atmosphere.php
• Per approfondimenti sull’attività del fazzoletto asciutto sottacqua cfr. NASA (National Aeronautics and Space Administration of the USA) ‘Aeronautics Educator’s Guide’: http://www.nasa.gov/pdf/205704main_Dunked_Napkin.pdf