Marchingegni - Esperienza 1

In questa serie di  esperienze sul concetto di modello e nelle indagini da esse stimolate è contenuto il nocciolo della scienza come impresa dell’intelletto. Questa percezione della scienza e la capacità di sentirsi protagonista di successo in tale impresa influenzerà certamente lo sviluppo cognitivo e affettivo del bambino più quanto non possa fare l’acquisizione di qualsivoglia nozione mnemonica e disciplinare sull’ambiente o sul corpo umano.

Il primo marchingegno

Il marchingegno che i bambini potevano vedere aveva un tappino e una penna infilati verticalmente a circa 5 cm di distanza su una scatolina di cartone.

Guarda il video

Inizialmente ai bambini è stato mostrato che ruotando il tappino anche la penna ruota, e lo fa nella stessa direzione. I bambini hanno affermato subito che c’è qualcosa che collega il tappino alla penna, dentro la scatola. Questo è quanto si richiede loro: “siete degli scienziati, fate le ipotesi e disegnate le ipotesi”.

E' stato utilizzato il seguente schema.

Le ipotesi disegnate sono chiamate modelli.
I modelli devono “funzionare” riproducendo il più possibile quanto accade nel sistema reale.
I bambini hanno ipotizzato vari meccanismi per il marchingegno e alcuni li hanno disegnati.
I modelli si mettono alla prova facendo esperimenti.

Perciò ai bambini è stato richiesto di proporre esperimenti.

1. I bambini hanno chiesto se il tappino si poteva togliere.
Il prof. ha verificato che si può togliere e rimettere il tappino senza problemi sul funzionamento.
I bambini hanno dedotto la presenza di un ingranaggio dove alloggiare il tappino che, infatti, presenta sei denti all’estremità infilata. Nei disegni sono apparsi ingranaggi.

2. È stato chiesto di invertire il verso di rotazione del tappino e vedere cosa accadeva.
Ruotando il tappo in senso antiorario, la penna non si metteva in rotazione. Un bambino è riuscito a spiegare tale asimmetria con un modello in cui un anello elastico, passante intorno al perno del tappino, va a toccare la penna solo da un lato, proseguendo poi verso un terzo perno rotante, interno alla scatola, disallineato rispetto agli altri due. In tal modo l’elastico si sarebbe allentato e non avrebbe fatto più presa sulla penna, ruotandolo in senso antiorario e mettendo in tensione il tratto che non è a contatto con l’asse della penna. Il bello è che il bambino era già al terzo modello disegnato in pochi minuti e che lui stesso ha spiegato alla classe il principio di funzionamento.

Diversi bambini chiedevano di aprire la scatola per vedere. Si è risposto loro che gli scienziati inventano dei modelli proprio perché non possono aprire i sistemi che studiano, ma possono solo fare esperimenti più o meno approfonditi su di essi.
Per esempio, come facciamo a sapere dove va il panino che ha mangiato un compagno? Non lo possiamo aprire! Siccome entra dalla bocca si potrebbe pensare che va nella testa. Ma se uno mangia troppo gli fanno male i piedi, la testa o la pancia? Il mal di pancia è un esperimento che conferma un modello in cui le cose che mangiamo vanno nella pancia. I bambini hanno detto che si può fare l’ecografia della pancia e vedere cosa c’è e che potremmo farla anche alla scatola. Ma a scuola non abbiamo la macchina per l’ecografia e gli scienziati avevano elaborato il modello secondo cui i panini vanno nella pancia anche prima dell’invenzione dell’ecografia.

Per sapere cosa c’è nel nucleo della Terra gli scienziati possono fare solo modelli e ipotesi. Si basano su ciò che si può osservare nella lava che esce dai vulcani e da esperimenti simili all’ecografia. L’ecografia della Terra si fa con delle esplosioni in certi punti della superficie. Le onde dell’esplosione si propagano e si registrano come delle piccolissime scosse di terremoto in altri punti molto lontani. Queste scosse non sono pericolose: solo le apparecchiature sensibili le registrano. Siccome le mini-onde di terremoto non vanno dritte, ma rimbalzano, gli scienziati capiscono che ci sono delle superfici in profondità che le riflettono, e in questo modo possono disegnare un modello dell’interno della Terra che somiglia a una pesca col nocciolo.

Nella classe 5ª abbiamo riproposto lo stesso “modello” di lezione, e i bambini hanno chiesto di effettuare più esperimenti e soprattutto hanno iniziato spontaneamente a costruire dei modelli concreti, oltre che disegnarli, usando penne, gomme, elastici, nastri di carta ecc.

Il “correttore”, a sinistra, è un esempio di “marchingegno” che può aver ispirato qualche bambino.

Due gruppi hanno proposto, indipendentemente l’uno dall’altro, che nella scatola ci fosse qualcosa di similGuarda il videoe a una cassetta audio e ne hanno richiesta una alla maestra per fare le prove in simulazione.

Questo è un altro modo usato dagli scienziati per mettere alla prova i modelli: facendo esperimenti su sistemi artificiali anziché sui sistemi reali o naturali. Per esempio, per vedere quali alimenti preferiscono i pesci possiamo metterli in un acquario e fornire tali alimenti, anziché buttare i mangimi in acqua e correre dietro a ogni pesce per vedere quale mangia. Il difetto delle simulazioni è che non possiamo mai essere certi che nel sistema artificiale (acquario) succedano proprio le stesse cose del sistema naturale (mare). Per provare le medicine nuove si usano i topi: il loro organismo è usato come modello artificiale dell’organismo umano. Una medicina che fa bene al topo, però, non è detto che farà bene anche all’uomo.

I bambini di quinta hanno richiesto anche altri esperimenti e costruito i loro modelli (anche concretamente, come dei prototipi) sulla base dei risultati di tali esperimenti. Hanno pensato a soluzioni completamente originali: ingranaggi formati da ruote dentate con i denti solo su metà circonferenza e altri marchingegni con gomme forate ed elastici.

Gli esperimenti richiesti sono:

• Invertendo il senso di rotazione del tappino, inizialmente la penna rimane ferma, ma dopo un po’ riprende a ruotare in senso orario. Se si agisce manualmente sulla penna, invertendone il verso di trascinamento, essa provoca il moto del tappino in senso inverso a quello con cui esso era prima azionato.
• I bambini che sperimentavano l’audiocassetta, non solo hanno riprodotto tutti i comportamenti del marchingegno, ma si sono resi conto che a un giro completo dell’ingranaggio senza nastro avvolto corrispondeva  meno di un giro dell’altro ingranaggio, dove il nastro era tutto avvolto. Hanno voluto verificarlo sul marchingegno. Il tutor ha suggerito loro di segnare col bianchetto un punto del tappino per riconoscere la rotazione di un giro esatto. L’esperimento ha confermato la loro ipotesi: un giro completo del tappino provoca soltanto meno di mezzo giro della penna.

La classe ha concluso che il modello migliore è il meccanismo di un’audiocassetta e che se il sistema reale non contiene un’audiocassetta, deve somigliarle molto.

Ci sono altri esperimenti che si sarebbero potuti fare. Per esempio, se la penna viene fatta ruotare manualmente nella stessa direzione in cui era stata messa in moto dall’azione del tappino, questo rimane fermo. Se si ruota la penna dalla posizione iniziale questa risulta bloccata in senso antiorario mentre in senso orario non trasmette il moto al tappino. Dalla posizione iniziale solo il tappino è libero di ruotare in entrambe le direzioni, trascinando sempre la penna in senso orario.

Come applicazione del concetto di modello gli stessi gruppi di bambini hanno ricevuto un barattolo di caldo–caldo (cioccolato autoriscaldante) e una fotocopia dello spaccato vuoto entro il quale disegnare il “modello” di funzionamento del dispositivo di auto-riscaldamento. I bambini potevano anche vedere il cloruro di calcio e sentire il rumore derivante dal suo scuotimento, da un sacchetto di ricarica per deumidificatori. E' stata asportata dalle etichette dei barattoli la parte dove il “modello” era già disegnato. In questo caso è stato detto ai bambini che alla fine i loro modelli sarebbero stati verificati aprendo il barattolo col taglierino.

I bambini hanno ascoltato la provenienza del rumore del liquido (dal basso) e dei granelli di cloruro di calcio (dal centro). Un gruppo ha constatato la presenza di acqua sul fondo osservando controluce. Dopo aver disegnato la disposizione dell’acqua, della bevanda e del cloruro di calcio e stabilito la presenza di intercapedini e membrane da forare, hanno seguito le istruzioni per riscaldare il cioccolato e infine hanno assaggiato il prodotto.

altri marchingegni

Il marchingegno 1 è composto da un tappino e una penna.

Guarda il video

I bambini hanno notato che i due perni sono molto più vicini e hanno chiesto di ruotare il tappino: la penna ruota in senso contrario. Hanno poi chiesto di ruotarlo in senso opposto: la penna si mette subito in rotazione, ancora una volta nel verso contrario a quello del tappino. I bambini hanno concluso che i due perni ruotano sempre in direzioni opposte.

Un bambino ha proposto di agire sul perno alto. Ruotandolo, in ambedue le direzioni, il tappino si mette ugualmente in rotazione in senso opposto e in nessun caso “gira a vuoto”. I bambini hanno iniziato a ipotizzare la presenza di un elastico che avvolge due rotelle, interne alla scatola, in cui sono infilati i due perni. Hanno disegnato alla lavagna tale modello e sono stati invitati dal tutor a simularne il funzionamento, per verificarne la validità. Il tutor, per aiutarli, ha disegnato delle frecce lungo l’elastico (Modello a).

 

modello a modello b
modello c modello d

I bambini hanno notato che tale modello a prevede un moto concorde dei due perni, cosa che si scontra con i risultati sperimentali. Un bambino ha trovato subito la correzione appropriata al modello, disponendo l’elastico a “8” (Modello b). In effetti questo modello fornisce previsioni più vicine al comportamento reale.
Ma i bambini erano ormai abituati e non hanno concluso frettolosamente che tale modello coincidesse con la realtà. Infatti un altro bambino ha proposto un modello con due ruote dentate (Modello d).

Il tutor ha quindi proposto un altro esperimento, segnando col bianchetto un punto sul tappino, rivolto verso di loro. I bambini hanno notato che con un giro completo del tappino la matita fissata all’asta lunga compiva solo mezzo giro. Viceversa, un giro completo della penna causava due rotazioni del tappino. Dopo una breve discussione i bambini hanno modificato il modello introducendo una ruota più grande e una più piccola e, riflettendo sul meccanismo di trasmissione della bicicletta, hanno dedotto che la ruota più grande si deve trovare in corrispondenza della penna (Modello c).

Il tutor ha poi proposto il marchingegno 2, con due cannucce infilate come sempre parallele l’una all’altra, con l’estremità ricurva, come due L rovesciate, una gialla l’altra rossa.

Guarda il video

Dopo poche prove i bambini hanno notato che le parti alte delle due L rovesciate puntavano sempre nella stessa direzione anche dopo diversi giri, senza nessuno sfasamento. Immediatamente alcuni bambini si sono ricordati del Modello a del marchingegno precedente, che era perfettamente valido (cinghia elastica disposta ad anello su due rotelle di uguali dimensioni).
Questo è un esempio di come anche i modelli imperfetti non vadano mai “buttati”, poiché potrebbero tornare utili in altre situazioni.

---

Esperienze condotte l'11 e il 27-05 dai bambini delle classi 4^ e 5^ della scuola elementare di Appignano, con le maestre Verena Temperini e Daniela Governatori e dal tutor Alfredo Tifi