Meraviglie invernali come questi ghiaccioli a Montreal possono ispirare i bambini a conoscere la scienza.  

Kengo Yamada ricorda di aver chiesto a una classe di bambini dell’asilo da dove pensavano che venisse il vento. Un bambino ha risposto, "Gli alberi fanno il vento”, racconta il direttore associato per l’istruzione della prima infanzia presso il Liberty Science Center del New Jersey. Quando poi Yamada ha chiesto al bambino perché pensava fosse così, il bambino ha replicato, “Beh, stavo camminando di fuori e ho visto gli alberi tremare, deve essere così che creano il vento”.

Yamada spiega che anche se il bambino non aveva centrato perfettamente il punto, stava iniziando a dare un senso scientifico al mondo. E il clima è effettivamente un modo semplice per far sì che i bambini riflettano sulla scienza.

“Non devono concettualizzare cosa siano il vento, la neve o la pioggia” afferma Ivory Williams, vice presidente di insegnamento, apprendimento e innovazione STEM presso il Liberty Science Center. “Possono toccarlo e gustarlo”.

E questo può suscitare un interesse per le scienze a tutto tondo. “Se ti insegnano a osservare un fenomeno, poi ti capita di osservarlo un po’ ovunque” spiega Shaunna Donaher, meteorologa presso il Dipartimento di Scienze Ambientali della Emory University.

Ecco alcuni esperimenti per mostrare al vostro giovane scienziato come funziona il clima invernale.

• Due bottiglie vuote di vetro o plastica della stessa dimensione

• Colorante alimentare rosso e blu

• Asciugamani, in caso di fuoriuscite

Cosa fare: Riempite una bottiglia con acqua calda (non così calda da scottarvi!) e l’altra con acqua molto fredda. Assicuratevi che siano entrambe piene fino all’orlo. Aggiungete diverse gocce di colorante alimentare rosso all’acqua calda, e diverse gocce di colorante blu all’acqua fredda.

Premete la carta da gioco contro l’imboccatura della bottiglia con l’acqua calda. Poi capovolgete la bottiglia in modo da metterla con l’imboccatura a contatto con l’imboccatura della bottiglia con acqua fredda, quindi fate scorrere delicatamente via la carta da gioco. L’acqua calda rossa non si mischierà con l’acqua blu fredda.

Ora, tenendo le bottiglie attaccate dall’imboccatura, capovolgetele con cura in maniera che la bottiglia blu sia sopra. L’acqua calda rossa salirà mentre l’acqua fredda blu andrà giù, creando acqua viola. (Suggerimento: tenete da parte l’acqua colorata per i prossimi esperimenti!).

Scienza fantastica: questo esperimento sfrutta l’acqua per mostrare come si muovono le correnti del vento. “Il vento si forma a causa del riscaldamento irregolare (dell’aria)”, afferma Donaher. “Il riscaldamento irregolare crea pressioni differenti, e questo mette in moto l’aria”. L’aria più calda e meno densa sale (proprio come l’acqua rossa calda), mentre l’aria più densa va giù (come l’acqua fredda di colore blu). L’aria più calda è meno densa, spiega Donaher, perché le sue molecole si muovono più velocemente e sono più distanti. Quando la pressione è più bassa, l’aria più calda si muove verso l’alto, e l’aria più fredda entra per prendere il suo posto. E questo è quello che noi percepiamo come vento.

Se non siamo in grado di sentire il vento, questo significa che l’aria calda e fredda non si stanno mischiando, proprio come quando la bottiglia d’acqua calda era sopra a quella fredda. “Quando l’atmosfera è stabile (come con l’acqua calda sopra), o non ci sono differenze di pressione tra i luoghi, non avremo vento”, afferma Donaher.

• Un bicchiere trasparente (va bene anche di plastica)

• Colorante alimentare (oppure riutilizzate l'acqua colorata degli esperimenti precedenti)

Cosa fare: versate un po’ di acqua colorata nel bicchiere e segnate il livello con una striscia di nastro adesivo. Mettete il bicchiere nel congelatore. Togliete il bicchiere quando l’acqua è completamente congelata, quindi misurate nuovamente il livello dell’acqua e notate la differenza.

Scienza fantastica: “Quando le sostanze sono più fredde del loro punto di fusione, le molecole si muovono molto lentamente e possono restare bloccate insieme in una struttura solida”, afferma Donaher. “Questo è quello che definiamo un solido. Man mano che le molecole si muovono più lentamente, c’è più attrazione tra di loro e questo fa sì che possano ‘bloccarsi’ in una struttura rigida”.

Per molti materiali, più sono freddi meno spazio occupano. Per esempio, il congelamento della cera fusa la farà ridimensionare in modo che possa uscire facilmente da un candelabro. “Ma l’acqua in realtà occupa più spazio quando si congela”, spiega Donaher. Perché? “È a causa del modo in cui la molecola d’acqua si lega, ovvero con una specie di angolo insolito”, il che fa sì che il ghiaccio occupi più spazio dell’acqua. Questo è il motivo per cui il ghiaccio si espande a un livello più alto di quello dell’acqua.

• Un contenitore più alto e più stretto, come una bottiglia sportiva riutilizzabile

• Uno spillo o una penna per fare un foro

• Colorante alimentare (o riutilizzate l'acqua dell'esperimento precedente)

• Una perlina che scorre sullo spago

Cosa fare: create un foro stenopeico sul fondo della tazza. Fate un nodo all’estremità dello spago, poi fate passare l’estremità non annodata attraverso il foro in modo che il nodo sia all'interno della tazza e il filo sporga dal fondo. Legate la perlina alla parte inferiore dello spago. Bagnate lo spago e la perlina. Posizionate la tazza con lo spago all'interno del contenitore più grande. Se la perlina tocca il fondo del contenitore più grande, tirate su lo spago e annodatelo di nuovo in maniera che il tallone resti sospeso.

Versate qualche goccia d’acqua colorata nel recipiente più piccolo e mettete l’intera combinazione nel congelatore. Dopo 15 minuti aggiungete qualche goccia in più di acqua colorata. Ripetete ogni 15 minuti finché non vedete un ghiacciolo che si forma lungo la parte inferiore dello spago.

Scienza fantastica: “I ghiaccioli si formano quando le goccioline d’acqua si congelano mentre vengono lentamente tirate verso il basso dalla forza di gravità”, spiega Donaher. “I ghiaccioli di solito crescono in lunghezza, nel tempo, quando le piccole porzioni d’acqua si sciolgono, viaggiano lungo il ghiaccio e si ricongelano”. In questo esperimento, le goccioline d’acqua passano attraverso il foro stenopeico del bicchiere, viaggiano lungo lo spago e si congelano sul tallone.

Ma perché non si forma un ghiacciolo a forma di cilindro? Mentre l'acqua continua a viaggiare lungo il ghiacciolo, rilascia calore. Potreste pensare che così facendo il ghiacciolo in alto si sciolga, ma in realtà agisce da isolante, mantenendo il freddo. Siccome l’aria calda tende a salire, isola la parte superiore del ghiacciolo più della punta, permettendo alla parte alta di restare congelata e quindi con maggiore ampiezza della parte inferiore. Williams spiega, “dalla punta fuoriesce più calore, quindi l’estremità diventa più sottile e più rapidamente della parte superiore, creando la tipica forma a ghiacciolo allungato".

• Una bottiglietta d’acqua spray o un panno umido

• Un pezzo di carta nera

Cosa fare: nebulizzate o strofinate il bicchiere con l’acqua. Mettete il bicchiere nel congelatore. Dopo circa un’ora, quando è ricoperto di ghiaccio, togliete il bicchiere. Posizionate il bicchiere contro la carta nera, in modo da poter vedere i fiocchi di ghiaccio sulla superficie. Lasciate che i bambini scoprano le diverse forme con una lente d’ingrandimento. 

Scienza fantastica: in alto tra le nuvole, il vapore acqueo è attratto da quelli che vengono chiamati aerosol – particelle di polvere, fumo o nebbia salina dell’oceano – spiega Donaher. Se la nuvola è a una temperatura di -15 °C o più fredda, il vapore acqueo si trasformerà in cristalli di ghiaccio – quelli che noi conosciamo come fiocchi di neve. In questo esperimento il vetro sostituisce le sostanze aerosol, dando al vapore qualcosa a cui aggrapparsi.

“I fiocchi di neve si formeranno a sei lati o sei punte”, afferma Donaher. Questo perché le due molecole di idrogeno e la molecola di ossigeno (ovvero H2O) sono posizionate in maniera da formare un triangolo. Quando questi triangoli si congelano insieme, creano forme esagonali proprio come il classico motivo a fiocco di neve. Ma possono anche diventare un piatto, una colonna o degli aghi, a seconda della temperatura e dell’umidità dell’aria, spiega Donaher.