Schede di Laboratorio
Costruzione di un orologio ad acqua
Presentazione dell’esperienza
La misura del tempo è basata sempre sulla supposizione della costanza di un determinato evento. Può trattarsi di un evento "periodico", cioè che si ripete costantemente nel tempo, e così abbiamo fin dall'antichità lo stabilirsi di unità di misura del tempo come l'anno, o il giorno, basate sulla supposizione che i cicli stagionali e il ciclo giorno-notte siano regolari nel tempo. In queste situazioni, la misura del tempo consiste nel conteggio di eventi discreti che si susseguono nel tempo. Anche l'orologio a pendolo è essenzialmente un contatore di eventi periodici: in questo caso le oscillazioni del pendolo, che si ripetono costantemente nel tempo.L'evento che fornisce la base della misura del tempo può anche non essere discreto, ma continuo, come il flusso di acqua che esce da un rubinetto. In tal caso, bisogna che sia costante il flusso, cioè la quantità d'acqua che esce dal rubinetto nell'unità di tempo. L’orologio ad acqua, o clessidra (che in greco significa “ladro d’acqua”) è stato uno strumento usatissimo nell’antichità per la misura del tempo, fino all’avvento in epoca moderna degli orologi meccanici. Galileo, in pieno ‘600, lo usava ancora per misurare i tempi durante le sue esperienze di cinematica.
Procedimento
Raccogli in un recipiente graduato l'acqua che esce dal rubinetto, cronometrando il tempo che il recipiente impiega a riempirsi.
Ripeti l'operazione più volte, curando che il rubinetto sia aperto ruotandolo sempre della stessa quantità (puoi farci un segno per ricordartelo).
Fai una media dei tempi di riempimento.
Dividendo infine il volume del recipiente per il tempo di riempimento, ottieni una misura del flusso (tipicamente in cm3/s) che ti fornisce il fattore di trasformazione tra volume e tempo per successive misure di tempo che puoi effettuare con questo strumento, la cui portata risulta pari al tempo di riempimento del recipiente. Se, per esempio, il flusso risulta di 9 cm3/s, un tempo che l'orologio ad acqua ha valutato in 25 cm3 è pari a:
t = 25 cm3 / 9 cm3/s = 2,8 s
Relazione guidata
§ Quali sono le maggiori cause di imprecisione, nell'uso di questo strumento?
§ La precisione dell'orologio ad acqua aumenta o diminuisce all'aumentare del flusso? dipende dalla forma del recipiente utilizzato?
§ Fai una ricerca storica sugli studi di cinematica compiuti da Galileo utilizzando l’orologio ad acqua.
§ Come faceva Galileo ad eseguire la taratura del suo strumento, mancando di un orologio di riferimento?
Problema
Cronometrando il tempo dall'istante dell'apertura di un rubinetto e misurando la quantità d'acqua che scende, si compila la seguente tabella:
tempo (secondi)
2
5
7
10
12
volume (cm3)
40
130
240
250
290
§ Quale di queste due grandezze è la variabile indipendente?
§ Disponi questi valori in un grafico cartesiano e traccia la miglior retta che collega i punti sperimentali.
§ L'origine degli assi può essere considerata un punto sperimentale?
§ Da che cosa possono essere causate le variazioni rispetto alla linearità?
§ Determina la costante di proporzionalità tra la quantità d'acqua e il tempo sulla base di questi dati, e fornisci una interpretazione fisica di questo valore.