Mi piace pensare ai miei articoli come dei work in progress.

Alla luce della prima parte e di alcune discussioni con colleghi ed appassionati, mi permetto di fornire alcuni spunti.

1 Il percorso proposto può essere inserito tra i nuclei fondanti delle Scienze : l’energia. L’Energia intesa nei suoi scambi, trasformazioni, è presente alla primaria nelle Indicazioni Nazionali per il curricolo.

2 su energia trovate delle cose scritte da me qui:

http://scienzeingioco.blogspot.it/2015/03/un-percorso-sullenergia-dalla-primaria.html?m=1

3 Raspberry non è fondamentale. In fondo nessuno strumento lo è davvero, ma apre una serie di possibilità, non fosse altro che permette di navigare e cercare informazioni in rete.

4 ho trovato altri metodi per misurare la velocità del vento e ne parlerò in altre occasioni. Mi piace insistere sulla possibilità di modificare questo percorso pensando a ventole che ruotano con motorini ricavati da materiale di riciclo. Al vento che regola il movimento delle nubi o il volo di una farfalla.

 

Insomma buona lettura!!!

 

In questa seconda parte concluderemo il progetto dell’anemometro e lo faremo utilizzando Raspberry!

Ci saranno parti più difficili, ma al solito ognuno sceglierà quelle per lui interessanti.

Il progetto è suscettibili a volte modifiche e spunti: energia eolica, energia pulita, sistemi domotici, analisi dati, statistica…

 

Iniziamo

Siamo arrivati ad ottenere una stima quantitativa della velocità del vento utilizzando diversi metodi, adesso vogliamo capire come misurare la velocità del vento in base alla velocità di rotazione del nostro anemometro; non basta, vogliamo anche capire in che modo la rotazione dipende dall’inclinazione delle pale (i bicchieri) dell’anemometro (si parla di flusso di aria attraverso una superficie) e programmare un servomotore o un led che si accende o un buzzer che suona se la velocità supera un certo valore (utile per creare un sistema domotico che abbassa le persiane e chiude le tende).

La Fisica dell’anenometro

Studiare la fisica dell’anemometro non è banale, ma è decisamente affascinante.

Cercherò di mantenere un approccio qualitativo: la velocità di rotazione delle pale dell’anemometro dipende dalla forma dell’anemometro e dalla massa (si parla di momento di inerzia).

Vi è poi una questione dal sottovalutare: l’attrito. A regime, ovvero quando la rotazione è uniforme, una parte dell’energia viene dissipata sotto forma di attrito. A tal proposito ci viene incontro il teorema di Betz. Il teorema di Betz ci dice che al massimo, noi potremo convertire in lavoro il 59% dell’energia cinetica del vento che attraversa la superficie nella quale è presente l’attuatore.

Le fisica completa, dove si tiene conto delle forze in gioco, è reperibile in questi articoli:

http://atmos.difa.unibo.it/LabFA/M/LEZIONI/02_misure_di_vento.pdf

http://www.poetarolando.com/files/Motore-eolico-a-momento-differenziale-limite.pdf

Per i nostri scopi misureremo la velocità del vento a regime  tenendo presente i teoremi precedenti.

Interessante leggere da Focus:

La velocità del vento si misura con uno strumento detto anemometro (dal greco anemos, vento). Nei più semplici, tre o quattro coppette fissate su un asse rotante vengono fatte girare dal vento. La rotazione, proporzionale alla forza del vento, viene registrata da un contagiri e convertita in velocità. Strumenti più precisi si ottengono collegando il perno rotante con un magnete circondato da bobine. La rotazione del magnete genera nelle bobine una corrente elettrica la cui intensità, proporzionale al movimento, è misurata da un amperometro, che automaticamente fornisce la misura della velocità. L’unità di misura è data dallo spostamento del vento nell’unità di tempo, per esempio chilometri all’ora. Un metodo per tarare gli anemometri consiste nel calcolare il tempo in cui una coppetta percorre la circonferenza e nel trasformare questa in una retta: la velocità è data dalla lunghezza diviso il tempo che ha impiegato la coppetta a percorrerla.

Apparato Sperimentale

Se attacco un magnete (al Neodimio) su un bicchiere, stando attendo a bilanciare con un oggetto di uguale massa dalla parte opposta (in questo progetto quante cose vero?), allora posso misurare il tempo di rotazione dell’anemometro grazie ad un sensore Reed Switch , visto nella lezione 17.

Il sensore permette di misurare il tempo di rotazione in tempo reale e di studiare aspetti importanti quali la forma dell’anemometro, l’inclinazione di bicchieri e la loro relazione con il periodo di rotazione.

Francamente sapere quale è la relazione esatta tra velocità del vento e frequenza di rotazione, non è così importante.

Procediamo quindi calibrando il sensore!

Conosciamo la velocità del vento del nostro ventilatore (da 4 a 5m/s) e possiamo studiare come cambia la velocità di rotazione al variare della lunghezza (interasse) tra due bicchieri opposti, dell’inclinazione bicchieri, massa del sistema.

Attività  didattiche molto interessanti sono reperibili a questi link : https://www.met.ie/education/pdfs_eng/Lesson%20Plan%20Measuring%20and%20Recording%20Wind%20Speed.pdf

http://www.ciese.org/curriculum/weatherproj2/en/docs/anemometer.shtml

 

in sostanza si ottiene una stima (in base al periodo di rotazione dell’anemometro della velocità del vento durante un intero anno scolastico o un mese)

 

Ed ora sperimentiamo…

Ma prima alcune foto dell’apparato con il magnete

Ho messo due magneti su due parti opposte, di uguale massa, ma di intensità diversa, in maniera tale che il reed sensor ne riveli solo 1 per ogni passaggio (provate a regolare la distanza del sensore e fate delle prove per capire cosa rileva, ovviamente usate sensori magnetici al neodimio, di elevata intensità…

Volevo fissare  il magnete con dello scotch ma la soluzione di magnete/magnete e magnete/ferro con in mezzo la superficie del bicchiere mi è sembrata la migliore…ovviamente pesate bene i magneti ed il ferro per avere un buon bilanciamento

 

Programmiamo Raspberry per la misura sperimentale

La programmazione è davvero semplice, così come la realizzazione del dispositivo elettronico.

Cosa serve

Raspberry

1 sensore reedswitch

1 led o 1 buzzer che ci avvisa se e quando la velocità di rotazione supera un valore di soglia (per semplicità utilizzerò un led), che va ad azionare magari un servomotore che abbassa le tende (ma parleremo di servomotori in successive lezioni).

cavi M/M M/F

1 resistenza da 220 Ohm (da mettere in serie al led)

magneti al neodimio

IN QUESTA PROVA USO SOLO IL REED SWITCH LASCIANDO A VOI L’IMPLEMENTAZIONE CON BUZZER O LED

Struttura logica della programmazione

 

Ad ogni passaggio del magnete il sensore aggiunge il tempo parziale, ma come facciamo ad ottenere il periodo?

qui interviene un ragionamento molto interessante

Sarebbe fin troppo semplice fare la sottrazione tra due tempi parziali successivi, ma la la cosa non è banalissima.

Ho deciso di fare così…

Creo due variabili chiamate pass1 e pass2

ed una variabile ausiliaria chiamata pass

all’inizio pass è 0

se il reed switch rileva il magnete sull’anemometro e pass è zero all’ora cambia pass1 portandolo tempo parziale e porta pass ad 1

al passaggio successivo pass è 1 e quindi non posso cambiare pass1 (la condizione che cambi è che pass sia 0), allora viene cambiato pass 2 che si porta al tempo parziale

A questo punto il periodo è la differenza tra i tempi tra pass2 e pass1.

Le variabili pass1 e pass2 si aggiornano ogni giro , in maniera alterna.

 

E’ possibile, come faremo, ottenere anche un grafico del periodo di rotazione per ogni numero di oscillazione, in maniera tale da studiare relazioni funzionali con parametri quali inclinazione dei bicchieri, lunghezza asse rotazione etc.

 

 

 

Ecco il codice

Ottenere le variazioni del periodo in base alla configurazione dei bicchieri o di altri parametri esterni come la variazione della velocità del vento è qualcosa da sperimentare!!

Ecco un video di una prova del funzionamento:

 

ATTENZIONE : SBAGLIANDO SI IMPARA e qui abbiamo fatto un errore.

In sostanza otteniamo il grafico del periodo come differenza tra pass2 e pass1, ma appena si aggiorna pass1 questo diventa maggiore di pass2 ed il periodo diventa negativo, ecco perchè il grafico sembra un dente di sega…

come risolvere?

Introducendo un operatore matematico chiamato modulo o valore assoluto, che calcola la differenza sempre con il segno +!!!!!!!!!!

 

Conclusioni

Ve lo dico apertamente: questo progetto mi è piaciuto tantissimo! Mi è piaciuto immaginarlo, mi è piaciuto migliorarlo scegliendo i materiali e facendo la spesa, mi è piaciuto imparare tanta fisica ad esso legato, di cui sapevo pochissimo. Mi è piaciuto sbagliare e immaginare la notte come migliorarlo. Mi ci sono dedicato per circa 20 giorni ed oggi posso dire di aver imparato molte più cose …

Non vorrei ridurre il progetto al solo studio funzionale tra grandezze; che sia chiaro eh! sapere come cambia la rotazione di un anemometro in base all’inclinazione del vento è affascinante, ma lo è di più utilizzare tale strumento di misure per ottenere dati e relazioni con le cose naturali.

Qual è la velocità del vento in zone di bassa pressione, e sulle montagne? Quali effetti ha il vento sulle cose naturali (uragani, mareggiate…).

 

 

Mi piace concludere questo articolo con alcune riflessioni ed un video della prof. Angela Gatti, maestra al secondo istituto Comprensivo di Francavilla Fontana.

Le Energie Rinnovabili

di Angela Gatti

La salvaguardia dell’ambiente, tematica affrontata in maniera profonda ed  interdisciplinare in classe ,è stata l’occasione per parlare e riflettere sulle energie alternative e rinnovabili che, da un lato sollevano l’uomo dalla dipendenza del petrolio, al momento la prima fonte di energia destinata però ad esaurirsi, e dall’altro è sicuramente un modo per limitare i danni da inquinamento  , quindi a basso impatto ambientale. 

Le energie rinnovabili con l’intento del risparmio energetico, forniscono all’ambiente energia pulita, permettendo ,quindi, una migliore vivibilità e qualità della vita.

Attraverso la metodologia IBSE (Inquiry Based Science Education), ho lasciato che i bambini apprendessero attraverso l’ indagine e la scoperta, formulando le ipotesi e poi verificandole sotto la guida e le stimolazioni costanti dell’insegnante, attraverso il lavoro di gruppo ,mediante la discussione, il confronto, le previsioni, le congetture e la comunicazione delle idee ,per poi argomentarle in un presentazione o in un forum.

Dopo che i bambini ,raccolti in gruppi hanno indagato sulla prima fonte di energia, il petrolio ,che va esaurendosi  e sulla necessità di possibili  alternative ad esso, come il vento ,il sole e l’acqua, si è fatta la distinzione tra energia rinnovabile ed energia non rinnovabile ; la prima che non si esaurisce come l’eolica, l’idrica, la solare; la seconda che si esaurisce:  petrolio, carbone ecc.

È seguito un Brainstorming  per far emergere tutte le idee che i bambini possedevano su questi argomenti.

Quindi abbiamo realizzato con materiale e di recupero, un Anemometro ed una girandola ,li abbiamo posizionati al vento, in modo che i bambini percepissero attraverso i sensi, la forza del vento. Così pure abbiamo sperimentato con uno spinner posizionato sotto l’acqua corrente che girava veloce a seconda della forza del getto dell’acqua….

In seguito a queste esperienze pratiche gli alunni sono stati invitati a riflettere sull’ efficacia di queste fonti ,sole ,vento ,acqua, per produrre una energia continua ed inesauribile , poiché gli alunni hanno osservato che questi sono elementi che non mancheranno mai.

Da qui sono scaturite varie attività, oltre alla discussione e il confronto, gli alunni hanno argomentato e relazionato con testi disegni e riflessioni le attività didattiche.

Ciò ha permesso di introdurre concetti molto importanti, come l’uso delle risorse sulla terra al di sopra della disponibilità delle stesse, ed ha contribuito ad interiorizzare buone pratiche a portata di bambino ,come ad esempio la gestione dell’illuminazione a casa, la limitazione dell’uso dell’auto nei percorsi casa – scuola .

Sono state coinvolte anche le famiglie degli alunni.

Scegliendo questa mobilità “gentile”  i bambini potranno risparmiare energie e sentirsi veramente parte integrante di un programma di risparmio energetico.

 

 

 

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