Percorso Didattico Su "le Forze" A Cura Di G. Bagni, L. Barsantini E C. Fiorentini

PERCORSO DIDATTICO SULLE FORZE

Giuseppe Bagni, Leonardo Barsantini, Carlo Fiorentini

Il percorso didattico che di seguito proponiamo, vuole essere un primo approccio al problema delle forze e si pone lo scopo di familiarizzare lo studente con i procedimenti e le definizioni operative di grandezze e fenomeni fisici. E’ quindi necessario che lo studente diventi parte attiva di questo processo, non nel senso che deve eseguire degli esperimenti già preconfezionati all’interno dei quali si trovano forniti materiali, procedimenti e risultati da verificare, ma nel senso di una partecipazione attiva ad un percorso che, nel caso delle forze, lo porti a sviluppare un’idea coerente di forza e di misurazione della forza. Per fare ciò è però necessario considerare anche le conoscenze di senso comune che possiedono i ragazzi, che sono frutto dell’esperienza quotidiana e che, altrimenti, difficilmente possono essere superate a favore di conoscenze scientificamente fondate. Si deve quindi operare affinché gli studenti evolvano dalle loro “preconcezioni” verso concezioni accreditate, e non, dalle preconcezioni alle “misconcezioni”. Il percorso è stato sviluppato per gli studenti della scuola media pensando ad un primo approccio alla misurazione della forza, coinvolgendo fondamentalmente il problema della deformazione ma anche quello della forza peso e dell’equilibrio. E’ chiaro che al termine di un simile percorso gli studenti non avranno sistematizzato tutte le problematiche riguardanti la forza, ad esempio il rapporto fra forza e creazione di movimento, ma è necessario calibrare gli argomenti da proporre ai ragazzi anche in base alla loro maturazione. Alcuni temi devono quindi essere rinviati a età successive piuttosto che cadere nell’illusione che fornire “qualche nozione” sia meglio del non dire niente: il problema della forza e del movimento può trovare una più adeguata sistemazione nella scuola secondaria. D’altra parte affinché gli studenti facciano propri gli argomenti proposti è necessario molto tempo: non si può pensare che questi processi siano rapidi o accelerati fornendo delle nozioni già formalizzate. Tenendo conto degli importanti momenti di 1

rielaborazione personale scritta e delle discussioni collettive e supponendo di disporre di due ore la settimana, il percorso proposto richiede circa due mesi. Questo, considerando che nella scuola media non c’è solo la fisica nell’insegnamento delle scienze, riduce il numero di argomenti che è possibile trattare, ma ciò non può che essere considerato positivamente in quanto va contro a una concezione che vede predominante una sorta di enciclopedismo che si realizza attraverso la presentazione di argomenti estremamente formalizzati e che ha come conseguenza il nozionismo. Si tratta, in altre parole, di sviluppare un percorso di tipo più qualitativo, non allo scopo di banalizzare i concetti, ma per sistematizzare dei fenomeni presenti nella vita quotidiana, che vengono normalmente visti senza essere realmente “osservati”, e di preparare quindi le basi per percorsi di tipo più quantitativo.

1. Chiedete agli studenti di rispondere alle seguenti domande: Che cosa significa "fare forza",

"essere forti",

"il più forte",

"forza"?

Per mezzo delle risposte fornite dagli studenti chiedete loro di effettuare dei raggruppamenti dei vari tipi di forza e se le forze di ciascun raggruppamento sono confrontabili o no.

E’ probabile che molti studenti introducano la relazione fra forza e movimento (intendendo però una proporzionalità fra forza e velocità), pochi la relazione fra forza e deformazione. Da qui la necessità di mettere in evidenza i legami fra forze e deformazioni proprio per arrivare alla misurazione operativa della forza. Gli studenti possono mostrare delle difficoltà a raggruppare o a confrontare le varie forze; comunque, questo primo punto ha lo scopo di far esplicitare le loro idee di forza: i punti successivi dovrebbero chiarire loro queste idee.

2. Ci si propone ora di confrontare le forze muscolari per mezzo di estensori. Dopo che gli studenti hanno manipolato per un po' di tempo degli estensori, chiedete loro, se e in quale modo, lo strumento possa essere utilizzato per 2

confrontare le forze muscolari dei vari ragazzi. Verranno proposti vari modi di misurare l'allungamento dell'estensore.

3. Dopo che tutti i ragazzi hanno fatto forza sull'estensore, chiedete loro: "il vostro <> sull'estensore che effetti ha avuto?" Gli studenti diventano consapevoli che il fare forza determina un allungamento dell'estensore. Diventano

inoltre

consapevoli

che

esiste

una

relazione

quantitativa

tra

l'allungamento dell'estensore e il fare forza.

La deformazione, in questo caso l’allungamento dell’estensore, diventa adesso l’effetto fondamentale del fare forza e si manifesta con una grande evidenza la relazione fra le forze applicate e gli allungamenti misurati. E’ prematuro a questo punto parlare di proporzionalità

fra

forza

e

allungamento.

Addirittura

se

invece

di

estensori

(sostanzialmente delle molle), si usassero, per motivi pratici, degli elastici (ad esempio gli elastici dei portapacchi delle auto), questa proporzionalità non sussisterebbe più, anche se l’esperienza resterebbe comunque significativa.

4. Chiedete agli alunni in quali altri modi sia possibile produrre delle deformazioni. (Con quali altri oggetti o materiali). Verranno prospettate varie ipotesi, quali: 1) schiacciare della gommapiuma, del cartone, 2) allungare elastici, sacchetti di plastica, molle, 3) piegare oggetti di legno, plastica, metallo, ecc. Fate poi portare i materiali indicati per sperimentarli.

5. Dopo che gli studenti hanno sperimentato vari tipi di deformazioni con diversi materiali, chiedete, di nuovo: "queste deformazioni a che cosa sono dovute?"

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Gli studenti diventano così consapevoli che ogniqualvolta vi è una deformazione vi è una forza (qualcuno o qualcosa fa forza).

E’ interessante chiedere agli studenti di rappresentare schematicamente le forze che hanno esercitato sugli oggetti sui quali hanno sperimentato vari tipi di deformazioni. In figura sono riportate alcune delle rappresentazioni fornite dai ragazzi in passate esperienze. Le figure a e b rappresentano l’allungamento degli estensori con entrambe le mani, la figura c rappresenta, per alcuni studenti, l’allungamento degli estensori con una sola mano, dopo aver fissato un estremo di questi alla parete. In quest’ultimo caso è presente una sola freccia, quella della forza dovuta alla mano che tira, in quanto alcuni studenti ritengono che la capacità di esercitare una forza sia caratteristica dei soli uomini o degli animali, ma non degli oggetti inanimati. L’allungamento di estensori prodotto da due studenti nel caso in cui uno sta fermo, (si comporti da “parete”), e l’altro tira, può aiutare a chiarire questo punto.

Nella successiva figura sono riportare alcune rappresentazioni fornite dagli studenti in una situazione in cui sperimentavano lo schiacciamento di un rotolo di nastro adesivo premendolo con due dita nella direzione verticale. Mentre la figura b rappresenta le forze in gioco nella situazione sperimentata, la figura a rappresenta con le stesse frecce anche le deformazioni prodotte a seguito dello schiacciamento.

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Anche se nelle loro rappresentazioni gli studenti non terranno conto né dei punti di applicazione né della lunghezza delle frecce utilizzate per rappresentare le forze, si può già introdurre il termine “vettore” e fare assieme ai ragazzi alcune semplici osservazioni su direzione, verso, modulo e punto di applicazione del vettore.

6. Fate loro la seguente domanda: "se ogniqualvolta che vi è una deformazione vi è una forza, si può anche dire che ogni volta che agisce una forza è sempre visibile una deformazione?" Gli studenti, molto probabilmente, arriveranno da soli a comprendere che non vale la relazione inversa. Altrimenti chiedete loro di fare forza contro oggetti, quali il muro, il tavolo, ecc. Gli studenti diventano così consapevoli che sotto l'azione di una forza, vi sono oggetti che sembrano non subire nessun effetto (né deformazione, né movimento).

A questo punto si potrebbe esplorare il legame che c'è fra forza e creazione di movimento, ma tale percorso non è facile e può dar luogo a fraintendimenti. Ad esempio consideriamo il caso semplice del tiro alla fune.

FA

<---------- ---------->

FB

Le due forze sono uguali e contrarie, non solo quando il sistema è in equilibrio, ma anche quando, contrariamente all'intuizione di senso comune, una squadra determina uno spostamento del sistema a velocità costante in un verso. Sembrerebbe quindi ragionevole rimandare lo studio di tale argomento alla scuola secondaria.

7. Si prenda una bilancia a due piatti. Si spinge con un dito su un piatto: chiedete agli studenti di spiegare perché il piatto si è abbassato. Ripetete lo stesso esperimento con l'altro piatto. 5

Si spinge infine con due dita su entrambi i piatti: chiedete agli studenti di spiegare come mai la bilancia rimane in equilibrio. Gli studenti dovrebbero arrivare a comprendere che le due forze sono uguali.

8. Si prenda di nuovo una bilancia a due piatti e si riproducano le tre situazioni precedenti con oggetti. Si chiede agli studenti di spiegare come mai si abbassa ora un piatto, poi l’altro, e infine nessuno dei due piatti.

Il percorso sulle forze deve essere preceduto da un lavoro sul peso e sulla bilancia a bracci uguali. Qui si è introdotto il termine equilibrio già presente nel percorso sul peso; su questo termine, in situazioni sperimentali concrete quali quelle precedenti, è bene richiamare l'attenzione degli studenti. L'insegnante dovrebbe portare gli studenti a riflettere sui punti 7 e 8. Si possono verificare diverse situazioni: 1) gli studenti non colgono l'analogia e spiegano i movimenti della bilancia soltanto per mezzo del peso; 2) viene colta l’analogia e quindi gli studenti parlano di forze esercitate dagli oggetti, senza tuttavia connettere forza con peso; 3) gli studenti colgono l’analogia con le situazioni precedenti e arrivano inoltre a comprendere che tutto ciò che pesa esercita una forza: il peso è una forza (si parla infatti di forza-peso). Bisogna porre molta attenzione alle generalizzazioni fatte dagli studenti perché se è vero che probabilmente molti studenti colgono la relazione fra forza e peso riportando il peso alla forza, è anche vero che qualcuno si spinge avanti e afferma che “se i pesi sono forze allora anche le forze sono pesi”.

9. Negli esperimenti precedenti con la bilancia si è constatato che la forza-peso di un oggetto può essere equilibrata da un’uguale forza-peso di un altro oggetto. Si chieda se la forza-peso di un oggetto può essere equilibrata in qualche altro modo? (Premendo con le dita, utilizzando un elastico, ecc.)

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10. Le forze possono essere, uguali, maggiori e minori. Si può essere più precisi, si può trovare un modo per stabilire di quanto una forza è maggiore di un’altra? Possono essere effettuate varie proposte: utilizzo di molle, elastici, estensori, bilance.

11. Gli studenti, avendo già lavorato nella scuola elementare con la bilancia e i pesi, probabilmente proporranno nuovamente la bilancia come mezzo più semplice per misurare forze-peso e per costruire campioni di forza-peso.

12. A questo punto si hanno i campioni per andare a costruire strumenti di misura di forze basati su molle (dinamometri). Si utilizzano delle molle appese in verticale e si determina l’allungamento provocato da forze-peso osservando che pesi doppi provocano allungamenti doppi, pesi tripli allungamenti tripli eccetera. I dati ricavati possono essere riportati in grafico per mettere in evidenza la relazione fra forza e allungamento.

Si possono utilizzare campioni di misura di uso comune, già introdotti nel percorso sul peso, quali i grammi o i suoi multipli e sottomultipli. In questo caso è opportuno parlare di grammi-peso e utilizzare la notazione gp. Anche se è ragionevole rimandare l'introduzione del concetto di massa alla scuola secondaria, distinguere fra grammi e grammi-peso potrà, in seguito, aiutare lo studente a non confondere le due grandezze.

13. Rimane adesso da esplorare, in casi semplici, il problema dell’equilibrio (già affrontato in alcuni punti precedenti), dovuto all’applicazione al corpo di sole forze (si trascura, ovviamente, il problema dell’equilibrio dovuto ai momenti delle forze). Come possono gli studenti comprendere ciò? Una strada è la seguente: mettete un oggetto su una bilancia ed equilibratelo con un altro oggetto. Prendetelo poi in mano e chiedete agli studenti come mai non cade.

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Gli studenti dovrebbero arrivare a capire che la forza peso dell’oggetto è ora equilibrata da una forza uguale e contraria esercitata su di esso dalla mano. Mettete successivamente l’oggetto su un tavolino (un supporto), costruito con la carta e chiedete agli studenti come mai cade. Mettete infine l’oggetto su un tavolo (vero) e chiedete agli studenti come mai non cade. Oppure mettete una molla su un tavolo in verticale (di sezione abbastanza ampia affinché non cada di lato), poggiatevi sopra un oggetto di un dato peso e chiedete quale forza deve esercitare la molla per sorreggere il peso. Gli studenti dovrebbero arrivare a comprendere che la forza-peso dell’oggetto è equilibrata da una forza uguale e contraria esercitata dal tavolo o dalla molla.

Prove di verifica

1. Fate ricavare una tabella che metta in relazione i campioni di forza-peso con gli allungamenti prodotti su una molla e riportare in grafico questi dati; ricavare una tabella analoga alla precedente, riportando sempre i dati in grafico, per un elastico.

Gli studenti dovrebbero ottenere i grafici riportati in figura.

2. Con riferimento all’esercizio 1, chiedete agli studenti di calcolare il rapporto fra il peso e l’allungamento, sia per i dati ricavati con la molla che per quelli ricavati con l’elastico. 8

Utilizzando i grafici del punto 1 e i rapporti del punto 2 è possibile, per l’insegnante, fare considerazioni sulla proporzionalità e sull'opportunità di costruire dinamometri con molle o con elastici.

3. Fate rappresentare le forze che provocano la deformazione di oggetti dati per mezzo di vettori.

4. Chiedete se e come è possibile misurare le forze e quali sono gli effetti prodotti dalle forze.

5. Chiedete agli studente cosa potrebbe esserci dentro a una bilancia pesa-persone da bagno.

Conclusioni

L’obiettivo che ci siamo proposti è stato quello di fornire agli studenti il concetto di misurazione di forza per mezzo del dinamometro, sfruttando le deformazioni di particolari corpi, e di introdurre il concetto di equilibrio in semplici casi. Durante lo svolgimento del percorso si viene a contatto con problematiche diverse che possono fornire all’insegnante indicazioni preziose circa gli argomenti da approfondire con gli studenti, ad esempio la rappresentazione vettoriale, tenendo sempre presente, però, che questo è soltanto un primo approccio alle forze e cercando, quindi, di non cadere nella tentazione di una eccessiva formalizzazione di leggi e regole.

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