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La fisica nei giochi L'equilibrio dei corpi


Equilibrio dei corpi appoggiati 

Tieni fermi i piedi e prova a portare avanti il tuo corpo, quanto riesci ad inclinarti ? Allargando i piedi riesci ad inclinarti di più ? E se porti un piede in avanti? Per camminare su una trave e non perdere l'equilibrio, come puoi aiutarti?


Hai mai sentito parlare di un punto detto baricentro? Probabilmente ricorderai di averlo incontrato in geometria: il punto di intersezione delle mediane di un triangolo Ha qualcosa a che fare con l'equilibrio? Costruiamo varie sagome di triangoli con balsa o cartoncino, tracciamo le mediane e proviamo ad appoggiare il triangolo su una matita. Resterà in equilibrio solo se ‌........................


Un triangolo resta in equilibrio se il punto di sospensione coincide con il baricentro Proviamo ad individuare il baricentro di altri poligoni Costruiamone le sagome e poi fissiamo uno spillo, a cui è legato un filo a piombo, ad un vertice del poligono. Tracciamo un segmento coincidente con la direzione del filo a piombo, ripetiamo la stessa procedura sospendendo lo spillo agli altri vertici. I segmenti tracciati si intersecano in un punto equidistante dai vertici. Proviamo a sospendere il poligono su una matita, solo se si appoggia a questo punto resta in equilibrio.


Il baricentro, o centro del peso, è dunque quel punto in cui si può immaginare sia concentrata la massa di un corpo ed è importante per determinare le posizioni di equilibrio Qualche poligono strano ci mette in crisi? Proviamo ancora con spillo e filo a piombo.

Nei poligoni non convessi il baricentro può essere esterno alla figura.


Osserva questo parallelepipedo articolabile, prova ad inclinarlo. Osserva anche la posizione del filo a piombo, esso è sospeso in un punto particolare della figura. Metti in relazione la posizione del filo a piombo con le posizioni in cui il parallelepipedo cade e quelle in cui resta in equilibrio. Prova a spostare il filo a piombo al piano superiore, quali differenze?

Il parallelepipedo resta in equilibrio finché la verticale passante per il baricentro rimane all'interno della base di appoggio L'equilibrio è maggiore se il baricentro è più basso


Torri pendenti

perchĂŠ non cadono ?


Costruiamo alcune torri utilizzando un cilindro di cartone che può essere sezionato obliquamente, in modo da avere delle ellissi come basi. Le torri costruite hanno diversa pendenza, appoggiate su un piano, alcune cadono, altre no. Le torri che non cadono sono quelle in cui la verticale passante per il baricentro non esce dalla base d'appoggio. Una torre inclinata che non sta in equilibrio può essere mantenuta in piedi inserendo sul fondo un peso, questo fa si che si abbassi la posizione del suo baricentro e la verticale passante per esso resti all'interno della base.


Che equilibrio ! Ha il suo baricentro, corrispondente circa alla zona pi첫 bassa dello sterno. Per restare in equilibrio occorre che la verticale passante per il baricentro non esca dalla base d'appoggio ( il poligono convesso minimo che racchiude i piedi).


Omini equilibristi Un omino appoggiato sul piano risulta stabile. Dove pensi sia baricentro?

situato

il

suo

La verticale passante per il suo baricentro è all'interno della base d'appoggio? Se formiamo file verticali di tre, quattro, cinque....omini, riescono a stare in equilibrio? Mantenere l'equilibrio quando la fila aumenta è piÚ difficile, come lo spieghi? Disponiamoli in modo che assumano disposizioni a triangolo e riflettiamo sulle loro condizioni di equilibrio.


Bamboline sempre in piedi Costruiamo delle bambolinedondoline con dei contenitori di plastica. Mettiamo del pongo sul fondo per appesantirle nella parte in basso e poi chiudiamole.

12

10

8

Colonna 1 Colonna 2 Colonna 3

6

Incliniamo la bambolina: dondola e poi riprende la sua posizione. Come mai? Disegnala in posizione di equilibrio e quando è inclinata; traccia anche la verticale passante per il baricentro e la distanza da terra nei due casi.

4

2

0 Riga 1

Riga 2

Riga 3

Riga 4


Un altro gioco legato all'equilibrio: una ranocchia passeggia su un piano inclinato. Osserva il suo movimento, osserva la rana appoggiata su un piano orizzontale, pensi che il suo corpo presenti simmetria? Dove pensi sia localizzato il baricentro di questo oggetto ?


La ranocchia scende lungo il piano inclinato, camminando parallelamente ad esso. Nonostante il disegno del suo corpo presenti simmetria, si nota invece una asimmetria nella sua struttura: una zampa è fissa, l'altra può alzarsi e abbassarsi lateralmente rispetto alla prima, solo a lato della zampa mobile è inserito un pezzetto di legno. Il baricentro pertanto non risulta centrale, ma spostato verso la zampa mobile. Quando la rana viene posizionata sul piano inclinato con la zampa fissa verso il basso, il baricentro esce dalla base d'appoggio, la rana subisce uno spostamento verso l'altra zampa, l'urto fa si che ritrovi temporaneamente l'allineamento con la base d'appoggio. La leggera curvatura della parte inferiore delle zampe, l'attrito con il piano e la reazione all'urto con la zampa fissa provocano oscillazioni della rana attorno alla posizione d'equilibrio e di conseguenza la sua discesa.


Equilibrio dei corpi sospesi Un asta di legno a forma di parallelepipedo ha il suo baricentro all'incrocio delle sue diagonali. Sospendiamola a questi sostegni per mezzo di due chiodini inseriti lateralmente, distanti dal baricentro. Spostiamo l'asta dalla sua posizione di equilibrio ed osserviamo cosa succede in tre situazioni diverse: il baricentro al di sopra del punto di sospensione, al di sotto o coincidente.


I corpi sospesi si possono trovare in tre posizioni di equilibrio : 

Equilibrio stabile: il baricentro è situato al di sotto del punto di sospensione, il corpo può oscillare ma torna nella posizione di partenza Equilibrio instabile: il baricentro è situato al di sopra del punto di sospensione ,il corpo ruota per portarsi in una condizione di stabilità Equilibrio indifferente: baricentro e punto di sospensione coincidono, comunque il corpo venga spostato mantiene la posizione assunta.


L'orsetto equilibrista Come riesce l'orsetto a stare in equilibrio sulla fune? In quale delle tre condizioni di equilibrio si trova? Facendolo oscillare possiamo capire dove si trova il suo baricentro. Proviamo a togliere le aste........ povero orsetto!


Nel simpatico gioco un orsetto, con il corpo sistemato sopra una piccola ruota, riesce a stare in equilibrio su un filo pedalando avanti e indietro, grazie all'aiuto di un'asta terminante con due sfere, che tiene nelle mani. ● La forza peso è la responsabile della discesa sul filo, l'orsetto si trova inizialmente ad una altezza maggiore rispetto al resto del percorso, la sua energia di posizione si converte in energia cinetica. ● Raggiunge la massima velocità nel punto più basso del filo,risale sempre più lentamente fino all'altro estremo. Il filo assume la forma a parabola durante la discesa dell'orsetto. ● L'orsetto non cade grazie alla presenza delle due sfere poste più in basso rispetto al corpo, agli estremi dell'asta, che, con il loro peso, fanno si che il baricentro complessivo si venga a trovare al di sotto del punto di appoggio.


Orsetti sull'albero Ora stai diventando esperto sui giochi di equilibrio, osserviamone altri e descriviamone il funzionamento Rifletti sulla posizione del baricentro del corpo degli orsetti Descrivi il loro movimento precisando come variano le condizioni di equilibrio.


Ancora un gioco basato sull'equilibrio dei corpi sospesi: un piano di legno, sagomato ad albero, è fissato in posizione verticale e sulla sua superficie sono inseriti vari pioli perpendicolari al piano. Alcuni orsetti di legno, il cui corpo presenta un asse di simmetria verticale, scendono velocemente tra i pioli, alternando l'appoggio con il braccio destro e con il sinistro. Il baricentro dell'orsetto è situato lungo l'asse di simmetria, quando l'appoggio è sul braccio destro, il baricentro viene a trovarsi a sinistra del punto di sospensione e viceversa. Ciò provoca successive rotazioni per allinearsi alla verticale passante per il punto di sospensione e quindi la discesa dall'albero.


Bicchierini e biglie Osserva e descrivi questo gioco PerchĂŠ i bicchierini sono tutti inclinati? Quando inserisco la biglia, la posizione del baricentro del bicchierino con biglia cambia rispetto a quella del bicchierino vuoto? PerchĂŠ ruotano?


Costruzione di animaletti equilibristi


Due serie di bicchierini di legno sono sospesi ad un sostegno verticale con dei chiodi sui quali sono liberi di ruotare. I bicchierini sono disposti su due file in modo alternato, leggermente inclinati perché il chiodo è inserito all'incirca a metà dell'altezza della loro altezza, ma non passa per il suo baricentro. Introducendo una biglia nel bicchierino più in alto si osserva il suo "travaso" in quelli successivi i, attraverso successive rotazioni. Quando la biglia è inserita nel bicchierino, non si posiziona sul fondo, perché ostacolata dal chiodo. Rimanendo così nella parte alta del bicchiere, il baricentro viene a trovarsi al di sopra del punto di sospensione; ciò provoca la rotazione del bicchiere e la caduta per gravità della biglia nel bicchierino sottostante.


Costruiamo animaletti con tappi di sughero come corpo, quattro fiammiferi per zampe, una sagoma di carta per la testa ed un pezzo di filo di testa per la coda. Per gli uccellini utilizziamo il filo di ferro delle grucce, due tappi di sughero o del pongo da sistemare sulla punta della ali, piĂš basse rispetto al corpo. I nostri animaletti equilibristi oscillano su due zampe e gli uccellini sul becco. Facile ormai capire il perchĂŠ!


Verifica sull'equilibrio - Una bottiglia di plastica vuota cade facilmente, basta un piccolo spostamento del piano a cui è appoggiata. Anche con poca acqua al suo interno risulta invece più stabile. Sai spiegare perché ? - Ti trovi su un autobus, i posti a sedere sono tutti occupati, ti stai reggendo agli appositi sostegni, l’autobus procede veloce lungo una strada con curve. Che posizione assumi per essere più stabile ?Perché questa posizione ti aiuta a mantenerti in equilibrio? - Un quadro appeso alla parete in quale condizione di equilibrio si trova ? Perché ? - Osserva questo gioco e descrivine il


- Come abbiamo individuato il baricentro di figure piane? - Quali delle seguenti affermazioni sono vere: Il baricentro di un oggetto coincide con il suo centro geometrico Il baricentro di alcune figure geometriche o oggetti può essere esterno Il baricentro di una figura con assi di simmetria coincide con il punto di intersezione degli assi Un corpo sospeso in equilibrio instabile ha il baricentro al di sotto del punto di sospensione - Pensando ai giochi osservati, prova a classificarli in due raggruppamenti: giochi legati all'equilibrio dei corpi sospesi e dei corpi appoggiati.


La fisica nei giochi