Le siringhe multiuso

Questo articolo accompagna il video “Siringhe e Legge di Boyle”. Robert Boyle infatti confermò la legge che porta il suo nome con una pompa, macchina pneumatica, che somiglia molto alle siringhe e alle pompe da bicicletta di oggigiorno. Gli strumenti della ricerca del tempo sono dunque oggigiorno presenti in tutte le case, le cantine, i garage.

E dunque le case, le cantine e i garage possono diventare luoghi di osservazione, piccoli laboratori dove si impara, e le siringhe e le pompe da bicicletta possono fare il loro ingresso anche nelle aule scolastiche. Con piena dignità, come ci mostra la storia della scienza.

da Galileo a Boyle

Galileo stesso, attraverso Salviati, racconta in un brano dei Discorsi riportato in antologia (link) i suoi esperimenti per pesare l’aria.
In quegli esperimenti si servì anche di siringhe, al tempo chiamate “schizzatoi”, insieme a fiaschi, tubicini e altro materiale di uso comune. Effettuò anche un esperimento di pesata molto semplice, comprimendo quanta più aria possibile in un fiasco. È questo un esperimento proposto nel video che si può reinventare molto semplicemente, con un fizz-keeper.
Tra gli esponenti della scuola di Galileo, alcuni si dedicarono in particolare al filone di studi sull’aria. Fu il suo allievo Torricelli a portarli a compimento, con la pesata precisa dell’aria, la realizzazione del vuoto, la costruzione del barometro, l’esposizione della nuova teoria in diverse lezioni.
All’esposizione della teoria sul “peso dell’aria” un altro studioso galileiano, Michelangelo Ricci, scrive una lettera con alcune obiezioni a Torricelli. Tra queste, una è basata su un esperimento semplice con una siringa:

… preso uno schizzatoio, che abbia la sua animella (lo stantuffo) dentro onninamente, acciò escludendo ogni altro corpo, poi turando in cima il foro, et ritirando per forza l’animella indietro, sentiamo grandissima resistenza, et ciò non segue solamente tenendo in giù lo schizzatoio et voltando in su l’animella, sopra il cui manico grava l’aria, ma segue per ogni verso che si faccia …

Torricelli – è il 1644 – risponde in tono scherzoso anticipando quello che oggi chiamiamo “principio di Pascal”

Fu una volta un filosofo, che vedendo la cannella messa alla botte, da un servitore, lo bravò con dire, che il vino non sarebbe mai venuto, perché natura de’ gravi è di premere in giù, e non orizontalmente, e dalle bande; ma il servitore fece toccarli con mano, che sebbene i liquidi gravitano per natura in giù, in ogni modo spingono, e schizzano per tutti i versi, anco all’in su, purche trovino luoghi dove andare, cioè luoghi tali, che resistano con forza minore della forza di essi liquidi. Infonda VS. un boccale tutto nell’acqua, colla bocca all’in giù, poi li buchi il fondo, sicche l’aria possa uscire, vedrà con che impeto l’acqua si muova di sotto all’in su per riemperlo. VS. applichi da sé, che non la tedierò più.

Per illustrare il principio che porta il suo nome, Pascal inventò un esperimento dimostrativo, la “siringa di Pascal”.
Si tratta di una siringa il cui cilindro termina con una sfera piena di forellini un po’ dappertutto, e spruzza in modo uniforme in tutto lo spazio quando viene premuto lo stantuffo. Si può trovare ancora oggi negli armadi di molte scuole, in vetro.

Sul principio di Pascal si basa il torchio idraulico, un argomento che ingenera talvolta un po’ di confusione (usato nell’elevatore, nei freni). Come ha notato Gorazd Planinšič nella sua magistrale lezione “Esperimenti dall’Asilo all’Università” (LINK) rimangono su questo argomento errori concettuali in molti libri di testo di fisica.

Due rappresentazioni del torchio idraulico per sollevare automobili. Lo schema in alto – presente in diversi testi - lascia molti punti interrogativi: l'auto viene sollevata di un paio di metri, e quindi la corsa del pistone di sinistra quanto deve essere lunga? Funziona veramente così? Lo schema in basso, disegnato da Paul Hewitt di Conceptual Physics, supera tutte queste difficoltà.

 

Sul tema del torchio idraulico, che è semplice solo a prima vista, è possibile realizzare l’esperimento con materiali poveri servendosi di due siringhe collegate da un tubicino. Con esse si possono avere delle prime stime non solo della forza, ma anche della distanza percorsa dai pistoni.

Con le siringhe è possibile ricostruire anche l’esperimento degli “emisferi di Magdeburgo”, un classico della storia e della didattica della scienza. Con Reinventore lo abbiamo eseguito molte volte, e in particolare alla Fiera Cavalli (link).

L’esperimento degli emisferi di Magdeburgo (con siringhe) faceva parte del bellissimo science show intitolato “Pressure” che Yoji Takikawa tenne a Tokyo in occasione della Conferenza Internazionale sull’Educazione in Fisica (ICPE) nel 2006. Takikawa è il leader del Galileo Kobo, un gruppo di insegnanti di discipline scientifiche che si scambiano esperimenti con materiali semplici, pubblicano libri, e sono molto radicati nella scuola giapponese. Con la loro iniziativa compatta hanno fatto “pressione” presso il ministero e sono riusciti nel 2007 a far aumentare le ore di insegnamento scientifico, che in seguito a una riforma erano state ridotte di un terzo negli anni novanta.

Usando una siringa come pompa da vuoto è possibile effettuare esperimenti come “il tubo di Newton”, o illustrare e misurare la legge di Boyle. Con le “siringhe con tappo” (chiusura luerlock) la legge di Boyle si può quasi “tenere in mano”: spingere lo stantuffo diventa sempre più difficile quando il volume diminuisce.

La siringa si presta molto bene, come già mostrato, anche per l’illustrazione dei concetti. Nel caso della legge di Boyle, la siringa graduata (indicazione del volume) in posizione verticale con dei pesi che gravano sullo stantuffo (indicazione della pressione) è una chiarissima illustrazione del concetto.

Il giovane Humphry Davy e le siringhe multiuso

In molti modi le siringhe hanno fatto capolino nella storia della scienza, e sono pertanto un buon esempio dell’importanza dei materiali semplici nella didattica.
Un esempio particolarmente suggestivo è fornito da Humphry Davy, e ne abbiamo già parlato in un articolo di Spazzascienza (link). Quando il futuro grande chimico era un ragazzo in Cornovaglia, aiutò i naufraghi di un vascello, e il medico di bordo per ringraziarlo gli regalò un bauletto con alcuni suoi strumenti, scampati al naufragio. In questo “tesoro” c’era una siringa di vetro, che il giovane Davy utilizzò in diversi suoi esperimenti.
Il suo biografo giustamente riconosceva nelle attività del giovane Davy il modo di educarsi non soltanto in “destrezza manuale”, ma anche in “destrezza mentale” nell’arte degli esperimenti.

Ma se Davy, all’inizio della sua carriera, avesse avuto a disposizione tutte le apparecchiature su cui poté contare in seguito, è più che probabile che non avrebbe mai sviluppato quel bel tatto di manipolazione, quell’abilità nel suggerire espedienti, e di concepire apparecchiature per fronteggiare e superare le difficoltà che sempre intralciano il filosofo nei sentieri non battuti della Scienza.

Le siringhe in plastica si rivelarono poi utilissime per l’insegnamento della chimica. Nel 1992, all’età di novant’anni, il grande insegnante di chimica Hubert N. Alyea pubblicò un metodo ingegnoso per la generazione sicura dei gas, incluso i gas nocivi, per l’uso in classe. Il metodo utilizzava le siringhe di plastica e formò la base della “Chimica dei Gas in Microscala” del suo degno successore Bruce Mattson. La chiusura Luerlock permetteva di agitare le siringhe e conservare con sicurezza i gas, anche senza cappa. Molte dimostrazioni di chimica con le siringhe furono escogitate anche da Viktor Obendrauf.

Le siringhe, di plastica e di vetro, hanno molti usi anche nell’insegnamento della termodinamica, come si mostra nel video “Esperimenti a vapore” (link). Il tema della “tensione di vapore”, e come l’acqua possa bollire anche a 20°C, si può affrontare in modo chiarissimo aiutandosi con una siringa col tappo.

Le siringhe, per concludere, hanno davvero tanti usi. L’uso che se ne può fare nell’insegnamento scientifico ci sembra uno dei loro usi più belli.

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