In questa notte fantastica
Che tutto sembra possibile
Mentre nel cielo si arrampica
Un desiderio invincibile
Che lascia una scia,
Come astronave lanciata
A cercare una via
Verso una nuova dimensione
Un’illuminazione
In questa notte fantastica
In questo inizio del mondo
I nostri sguardi si cercano
Con ali fatte di musica
Posso toccare il cielo
Lo posso fare per davvero
Lascia che questa atmosfera
Ti porti con sé
Non c’è più niente da perdere
Ti porto via con me
In questa notte fantastica
Ti porto via con me
Ribalteremo il mondo

(da Ti porto via con me, Lorenzo Cherubini “Jovanotti”)

Eccoci arrivati al nostro primo progetto ad ampio respiro con Raspberry e Scratch.

Lo spunto di questa attività mi è arrivata da una lettura dalla rivista Maker Mag (anno 1 numero 1, http://sprea.it/rivista/16554), dove si era costruito un sistema domotico che alzava le tende da esterno se la velocità del vento è elevata, grazie ad un anemometro, uno strumento per misurare la velocità del vnto.

Sono rimasto molto colpito da questa esperienza, perchè ho pensato subito che la realizzazione di un anemometro possa unire tutte le mie passioni: fisica, laboratorio con materiale di uso comune, sensori digitali, microcontrollori, analisi dei dati….

Lo scopo del mio progetto è quello di misurare la velocità del vento! Detto così sembra anche fin troppo semplice, ma vedremo che la misura della grandezza velocità ci condurrà in un viaggio dove ci confronteremo con approssimazioni, variabili, sensori…

Iniziamo!

Costruiamo un anemometro a basso costo!

Facendo un giro su Amazon si trovano degli anemometri già pronti da collegare a Raspberry, ma non amo le cose facili…

Decido di costruirmi un anemometro fatto con bicchieri di plastica e qualche bastoncino di legno…faccio delle ricerce in rete e vedo che la cosa viene fatta in molte esperienze anche con bambini alla primaria….

Questa fase è la più interessante, nella mia mente ho già pianificato quello ch vorrei fare, ma alcune cose restano incerte e crea un certo stimolo nel capire come mettere tutto in ordine.

Prima di iniziare buttiamo giù alcuni prerequisiti!

IL VENTO

Il vento si verifica quando il flusso d'aria sulla superficie terrestre è riscaldato in modo non uniforme.
L'aria calda si espande, diventa più "leggera" (densità minore). Quando questo accade, l'aria sale.
Quando l'aria calda sale, l'aria più fredda "ritorna per riempire" lo spazio lasciato dall'aria calda in aumento.
Questo movimento è chiamato convezione.
La velocità del vento può essere misurata con un anemometro.
A elevate altezze, l'aria diventa più sottile e c'è meno pressione d'aria.
Questa riduzione della pressione dell'aria riduce la resistenza all'attrito e aumenta la velocità del vento.
La rotazione della Terra è un fattore che influenza anche il movimento del vento.
Ci sono sei cinture di vento maggiori intorno alla Terra generate per convezione.
Il vento si sposta da un'area di alta pressione verso un'area di bassa pressione
La luce solare riscalda un'area del suolo. Il suolo riscalda l'aria. L'aria calda aumenta e si crea una zona di di bassa pressione.

ANDIAMO A  FARE SPESA E COSTRUIAMO UN ANEMOMETRO

Vado al supermercato (mi piace andare a fare spesa quando devo costruire qualcosa…)

mi serve…mi serve….

Inizio a prendere un pò di cose, avendo in mente alcuni prototipi…

Cannucce

Bicchieri di plastica

Puntine colorate

Stecchini (di legno) da spiedo

Nastro adesivo

altri Chiodi (ottonati)

Colla (opto per il super attack)

Matite con punta di gomma (sarà la mia base d’appoggio dove infilare il chiodino attorno a cui ruoterà la struttura…almeno penso)

 

Torno a casa ed inizio a costruire la struttura con i miei figli.

Foro 4 bicchieri con la punta dei bastoncini di legni ed infilo all’interno le cannucce, lego la struttura a croce, fissando all’interno i bastoncini di legno per dare maggiore robustezza, lego la parte centrale con il super attack ed in una successiva versione con i chiodini ad ottone. Decido di infilare il chiodino dentro la gomma della matita, ma vedo che vi è troppa resistenza e quindi scopro che le matite sono state, almeno per me, un acquisto inutile. Infilo l’estremo del chiodo (lungo almeno 3 cm) dentro un’altra cannuccia che costituirà la mia asta di appoggio.

Allego delle foto che rendono la cosa più chiara.

 

Decido di provare il funzionamento davanti al mio ventilatore e tutto “gira” perfettamente.

In realtà penso, subito, ad inclinare i bicchieri in maniera da far entrare l’aria con varie angolazioni, decido di ruotare due bicchieri in verticale….insomma inizio a sperimentare quali fattori possono influenzare la velocità dell’elica…ma mi fermo, o farò successivamente, devo capire come ottenere una misura quantitativa della velocità del vento.

Qui entrerebbe il nostro sensore Reed Switch della lezione 17, ma decido di ottenere delle misure in maniera diversa (sicuramente la velocità del vento farà girare il mio anemometro con una frequenza variabile…)

Misura della velocità del vento

PRIMO METODO

La prima cosa che mi viene in mente, è mettermi davanti al ventilatore, in rotazione, e di misurare il tempo che impiega l’aria  per arrivare fino a me. Se la velocità del vento è bassa, allora non sentirò subito l’aria in movimento quando il ventilatore è davanti a me.

Mi posiziono ad 1 metro dal ventilatore, imposto la massima velocità e con un cronometro misuro più volte il tempo, ottenendo una media ed un errore. Il tempo per percorrere 1 metro è circa 0.6 secondi con un errore di 0.2 secondi.

La velocità sembrerebbe essere 2 m/s ma in realtà la cosa è più complicata. Siamo certi che la velocità sia uniforme? sicuramente è massima in prossimità del ventilatore , ma a distanze maggiori?Vi sarà un effetto di “mescolamento” con l’aria inerte circostante…

Decido di effettuare misure a distanze diverse (2m, 3m, 4 m…) e giungo ad una stima della velocità che è di circa 4±1 m/s. Ripeto le misure per le altre due impostazioni di velocità del ventilatore (il mio ventilatore può essere regolato su 3 velocità) e trovo misure compatibili.

Questo metodo è sicuramente interessante, ma non precisissimo……

SECONDO METODO

Mi viene in mente un esperimento che avevo visto nel 2013 a Sperimentando Padova. Una pallina da ping pong rimaneva in equilibrio in aria otto la “spinta” del flusso di aria di un asciugacapelli.

Intuitivamente è facile capire che maggiore è la velocità del flusso di aria dell’asciugacapelli e maggiore sarà l’altezza della pallina…quindi misurando tale altezza posso ricavare la velocità del vento…

Metodo suggestivo ma forse complesso da realizzare nella pratica o no?

Se siete interessati leggetevi questo articolo http://www.aif.it/BergamoScienza/2009/PallinaQ4.pdf ed il testo di Walker Il Luna Park della Fisica dove ne parla a pag 80 d. anno 1991.

Interessante è qui capire Bernoulli e la sua equazione…

TERZO METODO

Spinto dal secondo metodo, mi imbatto in un intelligente anemometro realizzato con una pallina da ping pong.

In pratica si tratta di attaccare ad una pallina da ping pong un filo di cotone (con della colla) e di porre questo “pendolo” di fronte ad un flusso di aria. Il filo e la pallina si posizioneranno con un angolo rispetto alla verticale che dipende dalla velocità del vento.

Noto l’angolo è possibile avere una stima della velocità del vento (scala di Beaufort).

Eseguo così l’esperienza ponendo la pallina/pendolo davanti al mio ventilatore ed ottendo angoli medi di 12, 14 e 18 gradi, che corrisponde ad una velocità tra i 4 e 5.2 m/s, in linea con il primo metodo.

Le misure dell’angolo rispetto alla verticale le eseguo con l’App da smartphone Goniometer, così faccio felice me stesso e tutti i fautori del BYOD!

Ecco alcune foto dell’esperimento:

 

QUARTO METODO

Decido di affrontare la questione di petto studiando il moto di una particella d’aria….il problema è che questa non si vede.

Scelgo un piccolo foglio di carta colorato di giallo, lo appoggio sopra la mano e lo metto davanti al ventilatore.

Certo il foglio non ha la stessa densità dell’aria, ma il suo moto “potrebbe” essere simile a quella di una particell di aria o no?

Forse sarebbe meglio utilizzare dl fumo colorato…ma a trovarlo….ma magari una bolla di sapone sarebbe meglio!

Posiziono uno sperimentatore davanti al mio ventilatore e per i tre livelli di insità, traccio fotogramma per fotogramma il movimento della particella di carta.

Utilizzo il software Vidanalysis per Android perchè è molto veloce ed immediato , piuttosto che Trackr da pc. In fondo voglio avere una stima della velocità del vento….

 

Il software mi permette di determinare la traiettoria del corpo e il grafico velocità tempo e qui ho delle sorprese.

Il moto è bidimensionale e lungo la verticale è di caduta libera (il vento è perpendicolare alla forza peso).

Come sarà il moto lungo la direzione del vento.

Il grafico velocità tempo è lineare, in pratica è un moto uniformemente accelerato, almeno entro 1 o 2 metri dal ventilatore.

Eseguo una media delle velocità e trovo valori intorno ai 4 m/s , compatibili con il primo e terzo metodo.

Ecco le foto dei dati sperimentali per le tre velocità del ventilatore.

 

Come misurare la velocità del vento con l’anemometro fatto con i bicchieri? in che modo la velocità del vento è collegata alla frequenza di rotazione?

Lo vedremo nella prossima lezione, ma prima chiariamoci un dubbio.

Ci insegnano fin dalla secondaria di I grado che a mettere in movimento un corpo è una forza.

Il vento è una forza? Tendiamo ad associarlo ad una velocità, e questa velocità ci fa muovere, come della carta si muove se ci soffiamo sopra, ma qual è la forza connessa?

In effetti la Fisica ci vene in aiuto ma non voglio tediarvi..

una stima della forza la si ha misurando la variazione della quantità di moto nel tempo (leggi Impulso di una forza), ma il modello che meglio funziona è quello di flusso.

Se consideriamo il vento a velocità v che passa attraverso una Superficie S (e l’angolo conta…), di densità d, allora definiamo portata la quantità di aria che passa come

P= d x v x S

possiamo allora connettere la portata con l’energia cinetica e con la pressione dell’aria e da lì ottenere una relazione tra velocità in termini di pressione , densità e alcuni parametri (tipo attrito)….

La cosa non è banale ma è un utile esercizio er studenti liceali…

 

 

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