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Bottiglie capovolte

Osserviamo i fluidi caldi e freddi che salgono e scendono
Esaminiamo la convezione con coloranti alimentari e acqua a temperatura diversa.

Inverted Bottles Main
Inverted Bottles Mat

Strumenti e materiale

  • Quattro bottiglie di vetro a bocca larga identiche
  • Due cartoncini da schedario
  • Colorante alimentare (due colori)
  • Acqua calda e fredda
  • Due piatti o vassoi di plastica (per raccogliere l’acqua che potrebbe fuoriuscire)
  • Forbici
  • Aiutante (facoltativo)

Assemblaggio

Riempite due bottiglie d’acqua calda fino all’orlo. Riempitele fino a che non si forma una conca superficiale (un menisco).

Riempite due bottiglie d’acqua fredda fino all’orlo. Riempitele fino a che non si forma una conca superficiale (un menisco).

Versate il colorante alimentare nelle bottiglie utilizzando un colore per le due bottiglie con l’acqua calda e un altro colore per quelle con l’acqua fredda. (Nella foto sotto abbiamo usato il giallo per l’acqua calda e il blu per l’acqua fredda.) A questo punto le gocce di colorante si miscelano con l’acqua.

Mettete i due vassoi o piatti di plastica su un tavolo. Appoggiate una delle due bottiglie d’acqua fredda su un piatto e una delle due d’acqua calda sull’altro.

Tagliate un pezzetto di cartoncino, leggermente più grande della bocca della bottiglia, e appoggiatelo sulla bocca della seconda bottiglia d’acqua calda. Picchiettate delicatamente sul cartoncino. In questo modo vi accerterete che il cartoncino sia a contatto con tutto il bordo della bocca della bottiglia.

Adesso capovolgete lentamente la bottiglia senza toccare il cartoncino e appoggiatela direttamente sulla bocca della bottiglia con l’acqua fredda. Allineate le due bocche senza spostare il cartoncino.

Ripetete i passaggi 5 e 6 con l’altra bottiglia d’acqua fredda, mettendo il cartoncino e capovolgendola per poi appoggiarla sull’altra bottiglia d’acqua calda con l’altro piatto sotto. A questo punto dovreste avere: una bottiglia d’acqua calda sopra a una bottiglia d’acqua fredda e una bottiglia d’acqua fredda sopra a una bottiglia d’acqua calda, in entrambi i casi con un cartoncino che le separa.

Ecco che cosa dovete fare e che cosa noterete

Provate a eseguire il prossimo passaggio su entrambe le bottiglie contemporaneamente: estraete il cartoncino facendo attenzione a non fare uscire l’acqua. (Potrebbe essere necessario un piccolo aiuto.) Osservate ciò che accade ai fluidi di entrambe le coppie di bottiglie.

Che cosa accade?

Una volta tolto il cartoncino, in una delle due coppie l’acqua calda è rimasta in alto e l’acqua fredda è rimasta in basso e i colori sono rimasti praticamente identici a prima. Nell’altra coppia, invece, le cose sono andate diversamente: l’acqua calda è salita, l’acqua fredda è scesa e i colori si sono mischiati. Questo è dovuto alle differenze di densità (che è la quantità di materiale presente in un determinato volume).

Tutto è fatto di molecole. Le molecole calde si muovono di più di quelle fredde e, di solito, uno stesso oggetto occupa più spazio quando è caldo rispetto a quando è freddo. Questo significa che, per riempire una bottiglia, servono meno molecole d’acqua calda che d’acqua fredda. Quindi l’acqua calda ha una densità minore rispetto all’acqua fredda.

La gravità riesce a separare i fluidi in base alla loro densità. Dal momento che l’acqua fredda ha una massa maggiore per unità di volume rispetto a quella calda, la forza di gravità esercitata su una determinata quantità d’acqua fredda è maggiore rispetto a quella esercitata sulla stessa quantità d’acqua calda. L’acqua fredda, quindi, viene spinta verso il basso e l’acqua calda viene spinta verso l’alto. Questo movimento dei fluidi si chiama convezione. Nella coppia di bottiglie con l’acqua calda sopra a quella fredda, l’acqua fredda era giù in basso, quindi non c’è stata convezione.

Andiamo oltre

Vi è mai capitato di salire su uno sgabello o su una scala per cambiare una lampadina? Se lo avete fatto, avrete notato che l’aria è più calda in alto, dentro alla stanza. Questo è dovuto alla convezione.

La prossima volta che andate a nuotare in piscina, provate a fare caso alla differenza tra la temperatura dell’acqua in superficie e dell’acqua in profondità. Anche qui la convezione potrebbe aver separato i fluidi in base alla loro densità e l’acqua più fredda si troverebbe più in basso.

Confrontate due ciotole di zuppa calda: soffiate sulla superficie di una sola delle due ciotole. Noterete che quella sulla quale avete soffiato si raffredderà prima dell’altra. Soffiando, infatti, avete favorito la convezione. La zuppa in superficie si raffredda e scende, mentre la parte più calda sale e si raffredda a sua volta.

Suggerimenti per gli insegnanti

La convezione influisce sul movimento dei fluidi su piccola scala, come in questo esperimento, ma anche su quantità molto maggiori. Questo esperimento, quindi, può essere utile anche per capire fenomeni che interessano l’intero pianeta Terra e lo spazio. La convezione è un fattore importante nei cicli meteorologici: guida le correnti oceaniche, ma anche il movimento delle rocce semi solide all’interno della Terra. La convezione muove anche il materiale delle stelle.

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