MOTO UNIFORMEMENTE ACCELERATO: DAL MATERIALE POVERO AL CONCETTO DI DERIVATA.

Obiettivi Disciplinari

• Sviluppo del metodo scientifico.
• Raggiungimento conoscenze di fisica mediante tecnologie innovative.
• Implementazione dell'idea STEM, nello specifico Fisica e Tecnologia diventano un'unica disciplina interconnessa.
• Rafforzamento e applicazione pratica dei seguenti concetti: moto uniformemente accelerato, variazione di velocità contro il tempo, concetto di derivata, linea di tendenza, richiami di geometria. 

• Imparare a collaborare, lavorando in gruppo.
• Sviluppare il proprio spirito critico, affrontando problemi complessi.
• Imparare a comunicare verbalmente, facendo presentazioni.
• Imparare a comunicare per iscritto, scrivendo.
• Prendere confidenza con la tecnologia, utilizzandone gli strumenti.

• Cooperative learning, learning by doing, competenze digitali di base, autonomia nella gestione di un progetto.

Sono stati innanzitutto utilizzati materiali poveri.
Un copricanalina esterno di un impianto elettrico domestico utile per simulare un piano inclinato con tanto di guida che impedisca il movimento della sfera in direzioni non volute.
Una pallina gialla di mio figlio Angelo (prontamente restituita a fine giornata).
Quadernoni e libri per creare il dislivello atto a simulare il piano inclinato.
Una riga di 30 cm.
Una macchina fotografica digitale con cui effettuare le riprese.
Il Software Tracker Physics per l'analisi video e la modellazione fisica. Il software è freeware e sul sito (nel link precedente) è possibile trovare spiegazioni esaurienti e tutorial per imparare facilmente ad utilizzarlo.

• Metodologia Project Based Learning
• Cooperative learning
• Metodo scientifico

Il lavoro, curriculare, è andato avanti procedendo per lezioni successive alternate tra me e la collega di matematica e scienze, Rosanna Dell'Università.

In una prima fase i ragazzi hanno preso confidenza con i concetti di base come spazio e tempo, velocità, accelerazione. Cosa succede ad un corpo libero di cadere lungo un piano inclinato? Questa la domanda che ha coinvolto i ragazzi in una lunga discussione che li ha portati, insieme alla collega, a porsi le giuste domande e ad immaginare le risposte. Ed ecco nella discussione venir fuori le componenti vettoriali della'accelerazione e della velocità lungo il piano inclinato, il concetto di composizione e calcolo vettoriale, la differenza tra moto rettilineo uniforme e moto rettilineo uniformemente accelerato, l'influenza dell'angolo di inclinazione del piano, e con sorpresa di entrambi, il concetto di derivata, ovvero della velocità con cui varia un parametro rispetto ad un altro.
I ragazzi hanno raggiunto la percezione teorica che, scelto un intervallo di tempo costante, ad accelerazione costante, lo spazio percorso continuava a variare in aumento ad ogni intervallo successivo. La velocità di questa variazione rappresentava proprio la velocità. Hanno intuito come potevano fare lo stesso ragionamento per la velocità ottenendo come concetto l'accelerazione. Non restava che provare sperimentalmente quello che una attenta analisi aveva portato ad intuire.

Ecco la seconda fase. I ragazzi, divisi in gruppi, hanno costruito l'apparato sperimentale, mentre altri hanno preparato la macchina fotografica fermandola su opportuno supporto. Sono state fatte più riprese fino a scegliare quella ottimale. 
I filmati sono stati caricati sul software di analisi dove è stato necessario seguire alcuni passaggi obbligati:
1. Scegliere innanzitutto e tarare una grandezza di riferimento (la riga da 30 cm messa nel filmato).
2. Scegliere il frame di inizio e di fine del video.
3. Impostare il più opportuno sistema di riferimento (scelta che ha portato lunghe discussioni sulle conseguenze che avrebbe avuto sull'analisi la scelta di uno piuttosto che di un altro sistema di riferimento).
4. Mappare frame by frame la posizione della pallina.

Alla fine abbiamo ottenuto dei grafici. Il primo dello spazio percorso lungo l'asse delle x rispetto al tempo passato. Il grafico riesce a restituire appunto la velocità di variazione dello spazio contro il tempo, ovvero la derivata dello spazio rispetto al tempo. Come da previsioni la velocità aumenta col passare del tempo in accordo col modello del moto uniformemente accelerato.

Nella stessa maniera abbiamo valutato la rapidità di variazione della velocità contro il tempo ottenendo un andamento praticamente rettilineo (gli scostamenti sono dovuti all'imprecisione del posizionamento manuale delle tracce della pallina). L'andamento rettilineo collima con la previsione di variazione costante della velocità, ovvero di moto uniformemente accelerato.

Nella terza fase i ragazzi hanno preso i valori rilasciati dal software ed hanno provato ad elaborarli alla ricerca di una relazione che corrispondesse e che risolvesse quei valori.

Dopo un pò di lavoro e di fatica, nella fase finale di verifica, i ragazzi hanno preso i risultati e li hanno confrontati con quelli che, nella sezione di analisi, il software restituisce.

I risultati attesi sono stati ampiamente descritti in precedenza.

Ci si aspetta che i ragazzi riescano a farsi una domanda dopo aver osservato un fenomeno, che riescano ad immaginare un apparato con cui ripetere l'esperienza osservata, che riescano a analizzare l'esperimento estraendone dati, ricavandone un'analisi ed infine che riescano a valutare se quanto ottenuto collimi con quando immaginato pronti a rendere il processo ciclico.

E' evidente la miltidisciplinareità del progetto. Matematica, Fisica, Geometria, ma anche Tecnologia si integrano alternandosi verso l'ottenimento del risultato in quella he è una esperienza di STEM che sarebbe bello diventasse un costume.

Ovviamente non siamo soddisfatti, ma possiamo spingere la sperimentazione con lo stesso metodo.
Vi aggiungo alcune delle domande venute fuori dalla discussione con i ragazzi.

Cosa succede se cambiamo l'angolo e la pendenza del piano inclinato? 
Possiamo ricavare una relazione tra le grandezze note e l'angolo del piano inclinato?
Cosa succede alla pallina alla base del piano inclinato quando comincia a muoversi sul piano?
E se ricominciasse a salire su un piano inclinato posto di fronte?

E noi prof aggiungiamo:
E se cambia la massa della pallina?
E' possibile con questo sistema parlare di energia e conservazione di energia meccanica?
E' possibile valutare l'energia persa per attrito?

Insomma con una pallina ed una canalina possiamo fare fisica, chi lo avrebbe mai immaginato.

Il divertimento è ancora tanto e, per chi volesse, c'è tanto posto per lavorare insieme.