Concetti chiave
Fisica
Meteo
Aria
Pressione atmosferica

Introduzione
Avete mai visto una previsione meteo in TV? Se è così, potreste aver notato le lettere “H” e ” L ” muoversi sulla mappa meteo. Sono spesso indicati come zone di “alta pressione” (H) e “bassa pressione” (L). La pressione di cui stanno parlando è la pressione atmosferica. I cambiamenti nella pressione dell’aria possono prevedere cambiamenti a breve termine del tempo. Ma come fai a sapere se la pressione dell’aria cambia—o se è alta o bassa? Gli scienziati hanno sviluppato uno strumento chiamato barometro in grado di misurare la pressione atmosferica. In questa attività scoprirai come funziona un barometro costruendone uno tu stesso!

Sfondo
La terra è circondata da uno strato d’aria chiamato atmosfera. L’atmosfera è spessa circa 300 miglia e la maggior parte si trova a 10 miglia dalla superficie terrestre. L’aria è costituita da molecole di gas come azoto, ossigeno e anidride carbonica. Tutte queste molecole premono sulla terra, e questa pressione è chiamata pressione dell’aria o pressione atmosferica.

Potresti essere sorpreso di apprendere che l’aria ha un peso, anche se non lo senti. Ci siamo evoluti in modo che la pressione all’interno del nostro corpo corrisponda alla pressione atmosferica esterna. Sei, tuttavia, in grado di sentire cambiamenti nella pressione atmosferica. Ad esempio, se si vola in un aereo, le orecchie potrebbero iniziare a male. Questo perché ad alta quota la pressione interna è maggiore della pressione esterna. Solo quando equilibrate entrambe le pressioni facendo ” pop ” le orecchie smetteranno di ferire.

La pressione atmosferica è più alta al livello del mare e diminuisce quando si sale nell’atmosfera. A livello del mare la pressione dell’aria normale varia da 800 a 1050 millibar. In cima al Monte Everest la pressione dell’aria è di circa il 30 per cento in meno! La pressione dell’aria cambia con l’altitudine e con la temperatura. L’aria calda, che è meno densa, aumenta e si traduce in una pressione dell’aria più bassa. Quando sale si raffredda e si trasforma in vapore acqueo, che poi si condensa in liquido. Questo porta alla formazione di nuvole e pioggia. La bassa pressione, quindi, è generalmente associata a tempo nuvoloso e piovoso. D’altra parte, l’aria fredda ad alta densità provoca un aumento della pressione dell’aria. Quando l’aria fredda affonda si asciuga, causando condizioni climatiche calde e secche nelle zone ad alta pressione.

Ora che sappiamo come la pressione dell’aria può aiutare a prevedere il tempo abbiamo ancora bisogno di scoprire come misurare la pressione dell’aria. Per fare questo, gli scienziati hanno sviluppato il barometro. Esistono molti diversi tipi di barometri. Uno di questi è il barometro a base d’acqua: l’acqua è sigillata in un contenitore di vetro con un beccuccio stretto che collega l’esterno all’interno. Quando la pressione dell’aria esterna aumenta spinge sull’acqua nel beccuccio, con conseguente diminuzione del livello dell’acqua. Quando meno aria (pressione d’aria più bassa) spinge sull’acqua all’interno del beccuccio, il livello dell’acqua aumenta. In questa attività si costruirà una variazione di questo barometro. Pensi che possa prevedere il tempo di domani?

Materials

• Heat-resistant glass jar
• Rubber band that fits around the mouth of the glass jar
• Balloon
• Wooden skewer
• Scissors
• Tape
• Paper
• Pen
• Three bowls
• Tap water (hot and cold)
• Ice cubes
• Paper asciugamani

Preparazione

• Tagliare e scartare l’apertura del palloncino, quindi allungare il pezzo di palloncino rimanente attorno all’apertura del barattolo di vetro, avvolgendolo strettamente.
• Fissare il palloncino al barattolo con l’elastico.
• Fissare l’estremità dello spiedo di legno sulla parte superiore del palloncino con la punta appuntita che punta lontano dal barattolo.
• Riempire la prima ciotola con acqua a temperatura ambiente, la seconda ciotola con acqua calda del rubinetto (fare attenzione con acqua calda e avere un aiuto adulto se necessario) e la terza ciotola con acqua ghiacciata.
• Posizionare il barometro vicino a un muro con lo spiedo parallelo al muro.
• Nastro un pezzo di carta dietro il barometro sul muro.
• Disegna una linea sulla carta che si allinea con la punta dello spiedo.
• Segna la posizione in cui è posizionato il barometro. Dovrai posizionarlo sullo stesso punto più tardi durante l’attività.

Procedura

• Prendere il barometro e posizionare il barattolo di vetro nella ciotola con l’acqua calda. L’acqua non dovrebbe andare oltre l’elastico. Cosa osservi del barometro? Nota qualche cambiamento? Se sì, che tipo di modifiche?
• Dopo un minuto togliere il barometro dall’acqua, asciugarlo rapidamente e posizionarlo nello stesso punto vicino al muro in cui è stata attaccata la carta. Fai un’altra linea sulla carta in modo che si allinei con la punta appuntita dello spiedo. Dove punta la punta ora? Come è cambiato il barometro?
• Posizionare il barometro nella ciotola con acqua a temperatura ambiente. Di nuovo osserva cosa succede. Tenerlo nella ciotola per circa 10 minuti. Dopo 10 minuti in che modo il barometro appare diverso da prima?
• Dopo 10 minuti rimetti il barometro al suo posto vicino al muro e fai un’altra linea sulla carta dove punta lo spiedo. Cosa noti questa volta?
• Quindi posizionare il barometro nella ciotola con acqua ghiacciata per circa un minuto. Cosa succede al barometro nell’acqua ghiacciata? Quali differenze notate?
• Posiziona nuovamente il barometro davanti al tuo grafico cartaceo e fai un’altra linea dove punta lo spiedo. Può spiegare le sue osservazioni?
• Posizionare il barometro nella ciotola con acqua a temperatura ambiente e ripetere i passaggi ancora una volta. Dove punta la punta dello spiedo questa volta? Perché?
• Extra: Ripetere i test con diverse temperature dell’acqua. Come cambiano i risultati con altre temperature dell’acqua?
• Extra: porta il tuo barometro all’esterno per misurare la pressione atmosferica. Disegna una scala che assomiglia a un righello su un altro pezzo di carta. Quindi posizionare il grafico accanto al barometro in modo che la linea mediana sia allineata con la punta dello spiedo. Lasciare il barometro all’esterno per diversi giorni e ogni giorno segnare dove punta lo spiedo. Che cosa significa quando la punta è in movimento su o giù sulla vostra scala?

Osservazioni e risultati
Sei stato in grado di misurare la variazione della pressione dell’aria con il tuo barometro? In questa attività hai effettivamente misurato le variazioni di pressione dell’aria all’interno del barattolo di vetro—non la variazione di pressione atmosferica esterna. Poiché non possiamo cambiare noi stessi la pressione atmosferica esterna, abbiamo cambiato la pressione dell’aria all’interno del barattolo di vetro per dimostrare come funziona il barometro a palloncino.

Quando si sigilla il barattolo di vetro con il palloncino, c’è una certa pressione dell’aria all’interno del barattolo di vetro. La punta dello spiedo di legno dovrebbe essere abbastanza livellata con la parte superiore del barattolo di vetro poiché la superficie del palloncino è molto piatta. Quando metti il barattolo di vetro nell’acqua calda, tuttavia, l’aria all’interno del barattolo si riscalda e si espande. Come il vaso è sigillato con il palloncino non ha un posto dove fuggire—e il palloncino inizia a gonfiarsi. Questo perché la pressione dell’aria all’interno del vetro aumenta e sta premendo contro il palloncino. Di conseguenza, lo spiedo di legno punta verso il basso. La linea che hai creato dovrebbe essere al di sotto della linea originale.

Quando si mette il palloncino in acqua a temperatura ambiente, l’aria si sta raffreddando a temperatura ambiente dove era prima, in modo che il palloncino dovrebbe diventare di nuovo piatto. Allo stesso tempo, lo spiedo di legno dovrebbe allinearsi con la linea originale. Il contrario accade quando si mette il barattolo di vetro in acqua ghiacciata. Mentre l’aria all’interno del barattolo si raffredda ancora di più, si contrae e tira il palloncino nel barattolo. Questo fa sì che lo spiedo di legno punti verso l’alto. La linea che hai fatto per l’acqua ghiacciata dovrebbe essere sopra la linea originale. Torna in acqua a temperatura ambiente il palloncino e lo spiedino di legno dovrebbe tornare alle loro posizioni originali.

Se si misura la pressione dell’aria esterna con il barometro, si verificherà il contrario: lo spiedo punterà verso l’alto con l’aumento della pressione atmosferica mentre l’aria esterna al barattolo spinge sul palloncino. Con la caduta della pressione atmosferica, lo spiedo di legno punterà verso il basso. Segnare la posizione dello spiedo di legno ogni giorno può dirti che tipo di tempo aspettarsi!

Altro da esplorare
Cos’è la pressione atmosferica?, dalla NASA
Dimensione-Cambiando scienza: Come i gas si contraggono e si espandono,da Scientific American
Succhialo—con l’aria di raffreddamento!, da Scientific American
Attività scientifiche per tutte le età!, da Science Buddies

Questa attività ti ha portato in collaborazione con Science Buddies