Come far comprendere le nozioni di densità, pressione dei fluidi e incomprimibilità dell’acqua anche a un bambino di 4 anni, con un giocattolo scientifico.

Un piccolo diavolo rinchiuso in una bottiglietta di vetro che esaudisce i nostri desideri, a patto di non esagerare con le richieste per non incorrere nella dannazione dell’anima. Chissà se Robert Louis Stevenson conosceva il diavoletto di Cartesio quando descriveva il suo “diavolo nella bottiglia” nel racconto omonimo.

Inventato circa 200 anni prima, non da Cartesio ma dal contemporaneo Raffaello Magiotti, il diavoletto di Cartesio o ludione è uno strumento utile ancora oggi per parlare di dinamica dei fluidi (gas e liquidi) in maniera divertente.

Si tratta di un oggetto apparentemente semplice che si può far galleggiare o affondare a piacere variando certe condizioni. Nascondendo bene i gesti, si ottiene un effetto quasi magico che lascia di stucco non pochi.

Raffaello Magiotti era stato allievo di Galileo e collega di Torricelli. Presentò l’esperimento del ludione, che lui chiamava caraffina, nel trattato “Renitenza certissima dell’acqua alla compressione” (1648).

Ritroviamo il ludione in altri trattati di fisica. Di seguito il Traité de Physique di Adolphe Ganot (1870) e un’illustrazione tratta dal libro.

Come funziona il ludione?

All’origine si trattava di un oggetto di vetro o ceramica cavo con una piccola apertura in basso. Poteva avere forme varie tra cui il diavoletto. Veniva messo in un’ampolla di vetro piena d’acqua, chiusa superiormente da una membrana. Premendo la membrana si poteva far galleggiare o affondare la figurina.

Oggi il ludione può essere di plastica, vetro, materiali misti, o anche essere una semplice bustina di ketchup. Di solito si mette il ludione in una bottiglia di plastica chiusa da un tappo, più facile da maneggiare.

I fenomeni in gioco sono:

• la spinta di Archimede
• il fatto che l’acqua, essendo un liquido, è incomprimibile
• il fatto che l’aria, essendo un gas, è comprimibile

In posizione di riposo il ludione galleggia grazie all’equilibrio tra la spinta di Archimede e il suo peso (il ludione è pieno d’aria ma ha una zavorra).

Quando si applica una pressione all’acqua del recipiente (ad esempio stringendo la bottiglia), la pressione si trasmette all’aria interna al ludione. L’acqua non si può comprimere, ma l’aria all’interno del ludione sì.

Cosí l’aria compressa occupa meno spazio e un po’ d’acqua entra nel ludione. L’acqua pesa di più dell’aria, per cui il ludione aumenta di densità (stesso volume ma peso maggiore) e affonda.

Quando si rilascia, la pressione dell’acqua diminuisce, l’acqua esce dal ludione e l’aria si dilata per riprendere tutto lo spazio. Il ludione risale.

Osservando da vicino questo “giocattolo” si riesce a vedere il livello dell’acqua che sale all’interno del diavoletto, il quale dopo poco affonda. Tutto sembra più evidente, molto più di tante spiegazioni. Provare per credere!

Come fabbricare un ludione

Ci sono tanti modi e tutti funzionano più o meno bene. Vi propongo quello che uso di solito, facile da preparare con materiali di tutti i giorni.

Materiale

• una cannuccia pieghevole
• due graffette
• delle forbici
• una bottiglia di plastica trasparente (meglio da mezzo litro) con tappo

Aprire la graffetta formando una struttura a forma di cuore e appiattire le due parti.

                                   

Piegare la cannuccia a livello della piccola “fisarmonica”, poi tagliare il braccio più lungo in modo da formare una U.

Infilare le due estremità della graffetta nelle due cavità della cannuccia.

                                         

Agganciare un’altra graffetta. Ecco il ludione.

Se si ha fortuna funziona al primo tentativo. Se non funziona subito bisogna levare la seconda graffetta o aggiungerne un’altra. Bisogna, cioè, modificare il peso del ludione. Siccome il taglio è stato fatto in un punto casuale della cannuccia, non possiamo prevedere in anticipo se il peso agganciato al ludione sarà sufficiente come zavorra. È tutta una questione d’equilibrio. I vari tentativi non sono inutili ma anzi aiutano a capire meglio.

Ora possiamo servirci di questo esperimento anche per spiegare il meccanismo:

• del sottomarino che riempie e svuota i serbatoi con dell’acqua
• della vescica natatoria dei pesci che si riempie e si svuota di gas

Entrambi, pesce e sottomarino, modificano la loro densità per restare in superficie o scendere in profondità.

Per tornare al bambino di 4 anni… era un po’ una provocazione, ma non del tutto. Racconto un episodio che mi è successo. Ho fatto l’esperienza del ludione in una scuola materna. I bambini l’hanno amata. Lo scopo era fare un’esperienza e osservare un fenomeno, non imparare la teoria che c’è dietro. Un padre è venuto a prendere suo figlio. Gli ho mostrato cosa stavamo facendo e dato qualche spiegazione. Il padre ha cambiato espressione. Ha guardato il figlio come se lo vedesse per la prima volta e mi ha chiesto: “Ma secondo lei… lui capisce?”. La domanda mi ha molto divertito. Ho risposto: in ogni caso ha osservato bene e ha visto cosa sta succedendo all’interno del ludione, anche se non sa ancora dirlo con le parole.

Per saperne di più

Capire i fluidi con l’Università di Udine

Carrasquer, J., Álvarez, M.V., y Ponz, A. (2014). Exposición “Danzad, danzad, diablillos”, una visión de la Historia del Diablo Cartesiano a través de Imágenes. Teruel: Universidad de Zaragoza. Disponible en: http://web-ter.unizar.es/cienciate/expo

 Scheda sul galleggiamento di sottomarini e pesci della Sei Editrice

Robert Louis Stevenson. Il diavolo nella bottiglia e altri racconti