con una Bilancia a Bracci per Capillarità con una Monetina
In questo esperimento si determina dalla formula F = 2sd, dove F è la forza espressa in newton (N), s è la tensione superficiale in N/m e d è la lunghezza dell'ago usato nell'esperimento. Modificando la disposizione dei fattori per trovare la tensione, si ottiene che s = F/2d.  La forza si calcola alla fine dell'esperimento. Misura la lunghezza dell'ago in metri usando un righello prima di iniziare la prova. Per questo esperimento hai bisogno di una struttura di questo genere e un ago che galleggia sulla superficie dell'acqua. La bilancia deve essere costruita con cura per ottenere risultati precisi. Puoi usare molti materiali differenti; assicurati solo che la barra orizzontale sia fatta con qualcosa di robusto, come il legno, la plastica o un cartone piuttosto denso.  Traccia un segno al centro del materiale che usi per realizzare i due bracci (righello di plastica, cannuccia) e pratica un foro proprio sopra di esso. Il foro è il fulcro della bilancia, l'elemento che permette ai bracci di ruotare liberamente; se hai deciso di usare una cannuccia, puoi semplicemente bucarla con uno spillo o un chiodo. Fai due fori, uno a ciascuna estremità dei bracci, accertandoti che siano equidistanti dal centro; fai passare una stringa in ogni foro per sostenere i piatti della bilancia. Sostieni il chiodo centrale (fulcro) in orizzontale usando dei libri o un pezzo di materiale rigido che non cede; la bilancia deve ruotare liberamente attorno al fulcro. Non è necessario che sia perfettamente tondo o quadrato; deve essere riempito di acqua o con dell'altra zavorra, verifica quindi che sia abbastanza robusto. Appendi il piatto o la scatola di alluminio alla bilancia; fai dei piccoli fori su di esso in cui infilare la stringa che penzola dall'estremità di un braccio. Appendi questo elemento alla stringa che si trova sul capo opposto della bilancia avendo cura che assuma una posizione orizzontale, poiché è un dettaglio importante per la buona riuscita dell'esperimento. Prima di iniziare l'esperimento devi assicurarti che i bracci siano perfettamente orizzontali; il piatto è ovviamente più pesante dell'ago e quindi la bilancia si abbassa verso il suo lato. Aggiungi una dose sufficiente di plastilina sull'estremità dell'altro braccio per equilibrare lo strumento. La plastilina agisce da contrappeso. Durante questa fase devi prestare molta attenzione per assicurarti che l'ago resti sulla superficie del liquido; devi evitare che venga sommerso. Riempi un recipiente con acqua (o un altro fluido di cui non conosci la tensione superficiale) e mettilo sotto l'ago a un'altezza che permetta a quest'ultimo di appoggiarsi sulla superficie. Assicurati che lo spago che tiene l'ago resti ben teso una volta che quest'ultimo è nel liquido. Devi aggiungerli uno per volta al piatto di alluminio che hai costruito in precedenza; per effettuare i calcoli è importante conoscere esattamente il peso necessario per sollevare l'ago dall'acqua.  Conta il numero di spilli o di gocce d'acqua e pesali. Trova il peso di ciascun elemento dividendo il valore totale per il numero di gocce o spilli. Supponi che 30 spilli pesino 15 g, ne consegue che 15/30=0,5; ognuno pesa 0,5 g. Procedi lentamente aggiungendo un elemento alla volta; osserva attentamente l'ago sull'altro braccio per individuare il momento esatto in cui perde il contatto con l'acqua.  Conta il numero degli elementi che servono per sollevare l'ago. Annota il valore. Ripeti l'esperimento diverse volte (5-6) per ottenere dei dati precisi. Calcola il valore medio dei risultati sommandoli e dividendo il numero ottenuto per quello degli esperimenti. Per calcolare la tensione superficiale devi conoscere la quantità di forza necessaria per sollevare l'ago dal liquido. Poiché hai pesato gli spilli nel passaggio precedente, puoi trovare facilmente questa grandezza usando il fattore di conversione di 0,00981 N/g.  Moltiplica il numero di spilli che hai aggiunto nel piatto per il peso di ciascuno; ad esempio, 5 elementi da 0,5 g ciascuno = 5 x 0,5 = 2,5 g. Moltiplica i grammi totali per il fattore di conversione 0,0981 N/g: 2,5 x 0,00981 = 0,025 N. Utilizzando i dati che hai raccolto durante l'esperimento, puoi trovare la soluzione; sostituisci le variabili con i numeri opportuni e svolgi i calcoli rispettando l'ordine delle operazioni. Considerando sempre l'esempio precedente, supponi che l'ago sia lungo 0,025 m; l'equazione diventa: s = F/2d = 0,025 N/(2 x 0,025) = 0,05 N/m. La tensione superficiale del liquido è 0,05 N/m. A questo scopo, devi prima conoscere le forze di coesione e l'adesione. L'adesione è la forza che consente a un liquido di aderire a una superficie solida, come i bordi di un bicchiere; le forze di coesione sono quelle che attirano le varie molecole le une verso le altre. La combinazione di questi due tipi di forze fa risalire un liquido verso il centro di un tubo sottile.  Il peso del liquido che risale può essere utilizzato per calcolarne la tensione superficiale. La coesione permette all'acqua di fare le bolle o di radunarsi in gocce su una superficie. Quando un liquido entra in contatto con l'aria, le molecole subiscono le forze di attrazione le une verso le altre e permettono lo sviluppo di bolle. L'adesione causa lo sviluppo del menisco, che si nota nei liquidi quando aderiscono ai bordi del bicchiere; si tratta della forma concava che puoi vedere allineando l'occhio alla superficie del fluido.  Puoi notare un esempio di capillarità osservando l'acqua che risale in una cannuccia infilata in un bicchiere d'acqua. Questa corrisponde a S = (ρhga/2), dove S è la tensione superficiale, ρ è la densità del fluido che stai considerando, h è l'altezza raggiunta dal liquido dentro il tubo, g è l'accelerazione di gravità che agisce sul fluido (9,8 m/s2) e a è il raggio del tubo capillare.  Quando utilizzi tale equazione, accertati che tutti i numeri siano espressi nell'unità di misura corretta: la densità in kg/m3, l'altezza e il raggio in metri, la gravità in m/s2. Se il problema non fornisce il dato relativo alla densità, puoi trovarlo nella tabella del libro di testo oppure calcolarlo usando la formula: densità = massa/volume. L'unità di misura della tensione superficiale è il newton per metro (N/m); un newton corrisponde a 1 kgm/s2. Per confermare tale affermazione puoi eseguire l'analisi dimensionale. S = kg/m3 * m * m/s2 * m; due "m" si elidono lasciando solo 1 kgm/s2/m cioè 1 N/m. Prendi un piatto o una ciotola poco profonda e versaci circa 2,5 cm di liquido in questione; la dose non è importante, purché tu possa vedere chiaramente la sostanza che risale nel tubo capillare. Se ripeti la prova con liquidi differenti, ricorda di lavare accuratamente il recipiente fra un esperimento e l'altro; in alternativa usa piatti diversi. Si tratta del "capillare" che ti serve per prendere le misure di cui hai bisogno e calcolare di conseguenza la tensione superficiale. Deve essere trasparente per permetterti di vedere il livello del fluido. Dovrebbe inoltre avere un raggio costante per tutta la sua lunghezza.  Per trovare il raggio, appoggia semplicemente un righello sulla sommità del tubo per misurare il diametro e dimezza il valore per conoscere il raggio. Puoi acquistare questo tipo di tubo online o in ferramenta. Appoggia la base del righello sulla superficie del liquido nella ciotola e osserva l'altezza del livello del fluido nel tubo; la sostanza sale verso l'alto grazie alla tensione superficiale che è più intensa della forza di gravità. Una volta trovate tutte le informazioni necessarie, puoi sostituirle alle variabili della formula e svolgere i calcoli; ricorda di utilizzare le unità di misura corrette per non commettere errori.  Supponi di voler misurare la tensione superficiale dell'acqua. Questo liquido ha una densità di circa 1 kg/m3 (per questo esempio si usano valori approssimati). La variabile g è sempre pari a 9,8 m/s2; il raggio del tubo è 0,029 m e l'acqua risale in esso per 0,5 m. Sostituisci le variabili con le informazioni numeriche opportune: S = (ρhga/2) = (1 x 9,8 x 0,029 x 0,5)/2 = 0,1421/2 = 0,071 J/m2. Per questo esperimento hai bisogno di un contagocce, una monetina asciutta, acqua, una ciotola di piccole dimensioni, detersivo liquido per i piatti, olio e un panno. La maggior parte di questi oggetti è disponibile in casa o la puoi comprare al supermercato; non è fondamentale usare il sapone e l'olio, ma devi avere due liquidi differenti per confrontare le rispettive tensioni superficiali.  Accertati che la monetina (va bene quella da cinque centesimi di euro) sia perfettamente asciutta e pulita prima di iniziare; se fosse umida, l'esperimento non sarebbe preciso. Questa procedura non permette di calcolare la tensione superficiale, ma di confrontare fra loro quelle dei diversi liquidi. Appoggia quest'ultima sul panno o su una superficie che si può bagnare; riempi il contagocce con il primo fluido e fallo scendere lentamente, avendo cura che sia una goccia alla volta. Conta il numero di gocce che servono per riempire tutta la superficie della moneta finché il liquido non inizia a scorrere via dai bordi. Annota il numero che hai trovato. Pulisci e asciuga la moneta fra un esperimento e l'altro; ricorda anche di asciugare la superficie su cui l'hai appoggiata. Lava il contagocce dopo ogni utilizzo o usane diversi (uno per ogni tipo di fluido). Prova a mescolare un po' di detersivo per i piatti all'acqua e lascia cadere le gocce per valutare se cambia qualcosa a livello della tensione superficiale. Prova a ripetere il test diverse volte con lo stesso liquido per ottenere dati precisi. Trova il valore medio per ciascun fluido sommando il numero delle gocce fatte cadere e dividendo tale somma per il numero degli esperimenti eseguiti; scrivi qual è la sostanza che corrisponde al maggior numero di gocce e quella di cui basta solo una minima quantità.  Le sostanze con un'elevata tensione superficiale corrispondono a un numero maggiore di gocce, mentre quelle con una tensione inferiore richiedono una quantità minore di liquido. Il sapone per i piatti riduce la tensione superficiale dell'acqua permettendoti di riempire la faccia della moneta con una quantità minore di fluido.
Definisci l'equazione da risolvere per trovare la tensione superficiale. Costruisci una bilancia a bracci uguali. Piega un pezzo di alluminio per realizzare un piatto o una scatola. Fissa un ago o una graffetta in posizione orizzontale sull'altra estremità. Metti un po' di plastilina o altro materiale analogo sulla bilancia per equilibrare il peso del contenitore di alluminio. Metti l'ago o la graffetta che penzola in un recipiente d'acqua. Pesa alcuni spilli o diverse gocce d'acqua con una bilancia postale. Aggiungili uno alla volta nel vassoio di alluminio finché l'ago non si solleva dalla superficie dell'acqua. Trasforma il peso degli spilli (in grammi) in forza moltiplicandolo per 0,0981 N/g. Inserisci le variabili nell'equazione e risolvila. Comprendi il fenomeno della capillarità. Definisci l'equazione da risolvere per trovare la tensione superficiale. Riempi il contenitore con il liquido di cui non conosci la tensione superficiale. Metti un sottile tubo trasparente nel liquido. Misura l'altezza raggiunta dal liquido nel tubo. Inserisci i dati rilevati nell'equazione e risolvila. Riunisci i materiali. Fai gocciolare un liquido alla volta sulla moneta. Ripeti l'esperimento con un liquido diverso. Confronta il numero di gocce di ciascun liquido necessarie per riempire la superficie della moneta.
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Measuring Surface Tension with a Balance Beam Measuring Surface Tension with Capillary Action Measuring Relative Surface Tension with a Penny