Prof. Franco Gismondi: in tempo di Dad rispolveriamo il “Principio di Archimede”

Riceviamo la nota del prof. Franco Gismondi, docente di Matematica e Fisica del Liceo Ginnasio Luigi Sodo di Cerreto Sannita che, negli attuali tempi di Didattica a Distanza Integrata, vuole rievocare esperimenti effettuati nello scorso anno con i suoi studenti, sul “Principio di Archimede”. Hanno partecipato gli studenti del III Liceo Maddalena Contestabile, Raffaele D’Aronzo, Alessandro Di Nallo, Benedetta Izzo Pascale, Pasquale Merola, Katia Parente, Emanuela Petrillo, Maria Romano, Luciana Torrillo, Chiara Velardo.

“Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto equivalente al peso del fluido spostato”. Chi non conosce l’argomento non capisce niente e rinuncia a proseguire la lettura. Proviamo a raccontarlo diversamente: “un oggetto immerso nell’acqua pesa di meno di quando è fuori“. Se così va un po’ meglio possiamo proseguire.

Leghiamo un sasso con uno spago ed immergiamolo nell’acqua. Per restare immerso il sasso ha dovuto occupare il posto dove prima c’era l’acqua. Ha dovuto cioè “spostare” una quantità di acqua esattamente uguale al suo volume. Il principio di Archimede afferma che il sasso, o qualunque altro oggetto che immergiamo, subisce una diminuzione di peso esattamente uguale al peso dell’acqua “spostata“. Se l’oggetto pesa meno di quell’acqua, galleggia e resta immersa solo la parte sufficiente a bilanciare il suo peso, se pesa di più affonda. Se invece l’oggetto immerso ha un peso esattamente uguale a quello dell’acqua allora resta dove lo lasciamo, ed è proprio quello che ci aspettiamo visto che una qualunque goccia di acqua, che ovviamente pesa esattamente come il resto dell’acqua, resta dove si trova e non affonda né galleggia all’interno di tutta la massa. Allo stesso modo, se immergiamo un oggetto in un liquido più leggero dell’acqua, come per esempio alcool oppure olio, la diminuzione di peso sarà proporzionalmente più piccola, mentre in un liquido più pesante, come acqua molto salata o addirittura mercurio, la diminuzione di peso sarà maggiore. Si verifica perciò che alcuni oggetti che galleggiano in un liquido, in un altro affondano.

I ragazzi di III liceo del Luigi Sodo hanno verificato il principio di Archimede in alcuni esperimenti sia qualitativi che quantitativi, realizzati nel laboratorio di fisica della scuola nel mese di ottobre 2019.

VERIFICA SPERIMENTALE DEL PRINCIPIO DI ARCHIMEDE:

Strumenti, apparecchi e materiali utilizzati:

• dinamometro con portata 250 g
• bilancia ad un piatto con portata 5 kg
• calibro
• cilindretto di alluminio
• sfera di ferro
• bottiglina di vetro
• boccettina di mercurio con un bullone di ferro
• bacinella di acqua
• barattolo di alcool

• Primo esperimento: verifica qualitativa della diminuzione di peso di un sasso immerso in acqua. Abbiamo appeso al gancio del dinamometro un piccolo sasso misurandone il peso sull’indice del dinamometro. Abbiamo verificato che, immergendo il sasso in acqua il suo peso diminuisce sensibilmente.

• Secondo esperimento: verifica quantitativa della spinta di Archimede su un cilindretto di alluminio. Con il calibro abbiamo misurato il diametro e l’altezza del cilindretto di alluminio:

        d = 3.0 cm (da cui il raggio r=1.5 cm)

        h=2.7 cm

Con questi dati calcoliamo volume del cilindro V:

                               V = πr²h = 3.14 · 1.5² · 2.7 ≈ 19 cm³

Poiché la densità dell’acqua è di 1 g/cm³, il peso dell’acqua spostata sarà pari a 19 g e quindi ci aspettiamo questa diminuzione di peso quando il cilindretto è immerso in acqua. Con il dinamometro abbiamo pesato il cilindretto ottenendo:

                               peso fuori dall’acqua = 50 g

                               peso in acqua = 30 g

con una diminuzione di peso di 20 g corrispondente, entro gli errori sperimentali, a quella prevista di 19 g.

• Terzo esperimento: verifica quantitativa della spinta di Archimede su una palla di ferro.

Con il calibro abbiamo misurato il diametro di una palla di ferro:

                       d = 8.0 cm (da cui il raggio r=4 cm)

Calcoliamo volume V:

Poiché la densità dell’acqua è di 1 g/cm³, il peso dell’acqua spostata sarà pari a 267.95 g e quindi ci aspettiamo questa diminuzione di peso quando la palla è immersa in acqua. Con la bilancia a un piatto abbiamo pesato la palla quando è fuori dall’acqua e quando è immersa in acqua ottenendo:

                               peso fuori dall’acqua = 2050 g

                               peso in acqua = 1800 g

perciò abbiamo constatato una diminuzione di peso di 2050 g – 1800 g = 250 g che, entro gli errori sperimentali, rientra in quella prevista di 267.95 g.

• Quarto esperimento: verifica qualitativa della differenze della spinta di Archimede per liquidi di densità diversa. Mettiamo una bottiglina di vetro vuota e chiusa in un barattolo di acqua e vediamo che galleggia. Mettiamo poi la stessa bottiglia in un barattolo contenente alcool etilico e vediamo che affonda. Tenuto conto che la densità dell’acqua è 1 g/cm³ mentre quella dell’alcool è circa 0.79 g/cm³, la spinta di Archimede, che nell’acqua supera il peso della bottiglia perciò la fa galleggiare, nell’alcool non è sufficiente a tenerla a galla.

Quinto esperimento: un bullone di ferro che galleggia

Il mercurio è l’unico metallo che, a temperatura ambiente è liquido. Ha densità 13.579 g/cm³, più alta degli altri metalli più comuni e inferiore solo a quella dell’oro. Provoca danni alla salute perciò ne è vietato l’uso senza adeguate protezioni. Abbiamo a disposizione una boccetta di mercurio, tenuta sempre sigillata, con il divieto assoluto di aprirla da parte degli studenti. Con le opportune precauzioni, è stato introdotto nella boccetta anche un bullone di ferro (densità 7.874 g/cm³). L’esperimento consiste nel vedere galleggiare il ferro sul mercurio liquido.

Il video degli esperimenti di verifica del principio di Archimede è disponibile sul sito del liceo Luigi Sodo www.liceosodo.com, oppure su YouTube al canale liceosodo