Galleggianti e affondanti

Obiettivi

• Dimostrare come la distribuzione delle molecole in una sostanza determina la sua densità.

• Indagare le densità relative dei liquidi e le densità relative dei solidi.

• Prevedere, testare e spiegare la densità relativa studiando le interazioni tra liquidi e solidi.

• Dimostrare la comprensione della relazione tra densità e galleggiamento costruendo una barca.

Materiali

• vedi le attività individuali per i materiali.

Background

Densità, Massa & Volume
In parole povere, la densità è quanto strettamente la “roba” è stipata in uno spazio definito.

Per esempio, una valigia piena di vestiti e souvenir ha una densità elevata, mentre la stessa valigia contenente due paia di mutande ha una densità bassa. Dal punto di vista delle dimensioni, entrambe le valigie sembrano uguali, ma la loro densità dipende dal rapporto tra la loro massa e il loro volume.
La massa è la quantità di materia in un oggetto.
Il volume è la quantità di spazio che un oggetto occupa in tre dimensioni.

La densità si calcola con la seguente equazione: Densità = massa/volume o D = m/v.

Confrontiamo tre sostanze familiari per esplorare il concetto di densità. Se prendiamo lo stesso volume (un centimetro cubo) di schiuma, legno e cemento, possiamo vedere che ognuno ha una massa diversa.

Meno denso, più denso
Se qualcosa è pesante per le sue dimensioni, ha una densità elevata. Se un oggetto è leggero per le sue dimensioni ha una bassa densità.

Un sasso è pesante per le sue dimensioni, rispetto a un pezzo di popcorn che è leggero per le sue dimensioni. Immaginate una grande ciotola di popcorn, paragonata a una grande ciotola di sassolini, chi vi sembrerà più pesante?

È facile stimare le densità relative se mantenete lo stesso volume o la stessa massa di due oggetti.

Se riempite un sacco con un kg di piume e un altro con un kg di piombo vedrete che le piume occupano molto più spazio, anche se entrambi i sacchi hanno la stessa massa. Questo perché le piume sono meno dense, hanno meno massa per volume. Se facessi un cubo di rame e uno di alluminio dello stesso volume e ne mettessi uno in ogni mano, sentiresti che il cubo di rame sarebbe più pesante. Il rame ha più massa per volume dell’alluminio.

Come può una sostanza avere più massa per volume di un’altra? Ci sono alcune possibilità:

1. Gli atomi di una sostanza potrebbero essere di dimensioni simili ma avere più massa degli atomi di un’altra sostanza.
2. Gli atomi di una sostanza potrebbero avere una massa simile ma essere più piccoli, quindi più di loro stanno nello stesso volume.
3. Gli atomi di una sostanza potrebbero essere disposti in un modo che permette a più di loro di stare nello stesso volume.

Una qualsiasi o una combinazione di queste spiegazioni potrebbe essere la ragione per cui una sostanza ha una densità maggiore di un’altra. Nel caso del rame e dell’alluminio, i loro atomi sono disposti in modo simile, ma gli atomi di rame sono più piccoli e hanno più massa degli atomi di alluminio, dandogli una densità maggiore.

Densità, affondamento e galleggiamento
Perché alcune cose galleggiano, mentre altre affondano? Ci si potrebbe aspettare che gli oggetti più pesanti affondino e quelli più leggeri galleggino, ma a volte è vero il contrario. Le densità relative di un oggetto e del liquido in cui è posto determinano se quell’oggetto affonda o galleggia. Un oggetto che ha una densità superiore a quella del liquido in cui si trova affonderà. Un oggetto che ha una densità inferiore a quella del liquido in cui si trova galleggerà.

Puoi davvero vedere le densità relative all’opera quando guardi un oggetto pesante che galleggia e uno più leggero che affonda. Per esempio, immaginate di mettere un piccolo pezzo di argilla e una grande e pesante candela di cera in una vasca d’acqua. Anche se è più leggero, il pezzo di argilla ha una densità maggiore dell’acqua e quindi affonda. Anche se è più pesante, la cera ha una densità inferiore a quella dell’acqua, quindi la grande candela galleggia.

Affondamento e galleggiamento si applicano anche ai liquidi. Per esempio, se si aggiunge olio vegetale all’acqua, l’olio galleggia sopra l’acqua perché l’olio ha una densità inferiore a quella dell’acqua.

Galleggiamento e principio di Archimede
L’antico filosofo greco Archimede scoprì che quando un oggetto è immerso nell’acqua, spinge via (o sposta) una quantità di acqua della stessa massa dell’oggetto.

L’acqua spinge verso l’alto contro l’oggetto con una forza (galleggiamento) uguale al peso dell’acqua spostata.

Esploriamo il principio di Archimede facendo cadere una palla da bowling in una vasca d’acqua. Quando la palla è immersa nell’acqua, sposta il suo volume in acqua. Secondo il principio di Archimede, l’acqua può “spingere indietro” con una forza pari al peso dell’acqua che è stata spostata.

Un litro d’acqua ha una densità di 1 chilogrammo per litro (1 kg/L), quindi una palla da bowling del valore dell’acqua (4,5 L) può spingere indietro la palla con una forza pari a 45 newton (N). Questo è il peso di una massa di 4,5 kg. Tuttavia, il peso della palla è più simile a 55 N. Questo è più della forza di galleggiamento dell’acqua che ha spostato, quindi affonda.

Un pallone da spiaggia può avere lo stesso volume di una palla da bowling, ma ha una massa molto più piccola. Quando si mette un pallone da spiaggia in una vasca d’acqua, esso sposta una massa d’acqua pari alla sua stessa massa – circa 0,01 kg. Se si provasse a spingere il pallone da spiaggia verso il basso e a spostare più acqua, l’acqua spingerebbe indietro con una forza maggiore del peso del pallone da spiaggia. La spinta dell’acqua mantiene il pallone a galla.

Il galleggiamento è la forza verso l’alto di cui abbiamo bisogno dall’acqua per rimanere a galla. Le forze di galleggiamento sono il motivo per cui ci sentiamo molto più leggeri quando siamo in piscina. I nostri corpi sono per lo più acqua, quindi la nostra densità è abbastanza vicina a quella dell’acqua. Per questo motivo, una persona media ha bisogno solo di un po’ di galleggiamento in più per galleggiare. Un giubbotto di salvataggio fornisce questa spinta extra.

Modificare la densità
Si può cambiare la densità di una sostanza riscaldandola, raffreddandola o aggiungendole qualcosa. Se un oggetto affonda nell’acqua, è perché l’oggetto ha una densità maggiore dell’acqua. Ci sono due modi possibili per far galleggiare quell’oggetto, comunque:

1. Aumentare la densità dell’acqua in modo che l’acqua diventi più densa dell’oggetto. Per esempio, un uovo di solito affonda in un bicchiere d’acqua, perché è più denso dell’acqua. L’aggiunta di sale all’acqua aumenta la densità dell’acqua, permettendo all’uovo di galleggiare. Questo esperimento funziona anche con le persone, ma hai bisogno di molto sale (prova l’oceano, o meglio ancora il Mar Morto!)
   
2. Aumentare il volume dell’oggetto in modo che l’oggetto diventi meno denso dell’acqua. Un grande esempio di questo è il ghiaccio che galleggia nell’acqua. Il ghiaccio si forma dal congelamento dell’acqua. Quando si congela, aumenta di volume perché le molecole d’acqua si spostano più lontano per adattarsi alla struttura reticolare del ghiaccio. Poiché il ghiaccio è ora meno denso dell’acqua, galleggia. Questo fenomeno spiega anche perché le navi galleggiano anche se sono fatte di acciaio. Una nave è costruita in modo tale da racchiudere grandi quantità di spazio aperto. La nave sposta ancora il suo peso in acqua, ma a causa del modo in cui la nave è costruita, occupa più spazio del volume dell’acqua che sposta, quindi galleggia.
   

Vocabolario

Archimede: Matematico, fisico, ingegnere, inventore e astronomo greco (c. 287 a.C. – 212 a.C.).
Il principio di Archimede: Qualsiasi oggetto totalmente o parzialmente immerso in un fluido è sostenuto da una forza pari al peso del fluido che viene spostato dall’oggetto. In altre parole, il galleggiamento è uguale al peso del fluido spostato.
Galleggiamento: La forza verso l’alto che un fluido esercita su un oggetto meno denso di lui; la capacità di galleggiare.
densità: Quanto strettamente impacchettate insieme sono le molecole di un oggetto o di una sostanza.
Spostamento: Spingere fuori strada. Per esempio, quando un oggetto va in acqua, sposta l’acqua.
immiscibile: Incapace di essere mescolato insieme, come l’olio e l’acqua.
legno di ferro: Il nome per un gran numero di legni che hanno una reputazione di durezza e alta densità.
massa: La quantità di materia in un dato spazio.
Materia: La sostanza che compone tutte le cose fisiche.
pietra pomice: Schiuma di lava nota per la sua piccola massa e bassa densità, nonostante abbia l’aspetto di una roccia.
peso: Una misura della forza di gravità su un oggetto.
Volume: La quantità di spazio che una sostanza o un oggetto occupa.