Fisica: dinamica 1 con Scratch: Esperimenti di fisica con Scratch sui moti con attrito con il calcolo numerico

Di Giovanni Mastropaolo

Questa prima pubblicazione di dinamica comprende lo studio di moti in presenza di attrito tra superfici o in aria in circostanze diverse: rallentamento e frenata di un auto, caduta di un grave in aria, scivolamento lungo un piano inclinato, rimbalzo di una palla, sparo di un proiettile.

Trattando di dinamica, il moto viene prodotto senza l’uso di espressioni analitiche ma con incrementi reiterati di spostamenti dovuti alle diverse forze in gioco.

In questo modo si propone di fare fisica usando applicazioni di Scratch nella didattica ordinaria facendo esperimenti e nel contempo si può introdurre un po’ di “coding” migliorando la comprensione della disciplina e promuovendo le capacità computazionali degli allievi.

Il libro é utilizzabile per scopi diversi:

• si usano le applicazioni messe appositamente a disposizione online per osservare le proprietà dei moti in relazione ai valori delle grandezze in gioco,
• si prova a modificare i parametri per osservare come cambiano i moti,
• si verificano i risultati ottenuti confrontandoli con quelli desunti con metodo analitico, se possibile,
• si studiano gli script per imparare a programmare.

Lo scopo perseguito è quello di organizzare in un unico testo lezioni ed esercitazioni che sono proprie della materia “fisica”.
Questo approccio può servire anche per iniziare gli alunni della scuola secondaria alla programmazione con un linguaggio adatto a principianti in aggiunta all’approfondimento sperimentale di alcuni aspetti della dinamica.

L’impiego di Scratch per descrivere il moto di un punto migliora la capacità di analisi, contribuisce all’approfondimento della fisica e permette l’acquisizione di quelle capacità computazionali che sono alla base dei processi di apprendimento.

La “dinamica” è qui usata come pretesto per imparare ad utilizzare le istruzioni intorno ad una situazione concreta, definita e ben documentata.
Un alunno di scuola secondaria può utilizzare le conoscenze che va apprendendo in materia di “Fisica” per cominciare a programmare o, meglio, per imparare a costruire algoritmi.

Per utilizzare le applicazioni non è necessario conoscere Scratch.

Per la visualizzazione del moto di oggetti ci sono programmi molto più potenti che, però, utilizzano soluzioni analitiche per le quali sono necessarie conoscenze di algebra e di calcolo infinitesimale.
Questo libro propone la costruzione del moto per mezzo di incrementi ripetitivi che risultano comprensibili anche ad alunni della scuola secondaria di primo grado che così possono apprezzare il moto come evoluzione di eventi anziché come soluzione di equazioni.

La validità didattica di questo approccio risiede nella possibilità che a scrivere il programma sia l’allievo stesso. Con Scratch è possibile!

Scratch è un progetto di Scratch Foundation, in collaborazione con il Lifelong Kindergarten Group al MIT Media Lab. È disponibile gratuitamente su https://scratch.mit.edu
 

• Lingua: Italiano
• Editore: Giovanni Mastropaolo
• Data di uscita: 11 feb 2019
• ISBN: 9788832510911

Anteprima del libro

calcolo

presentazione

chi, cosa, come, perché, a chi

Cosa tratta la pubblicazione

Si fanno esperimenti e simulazioni di fisica utilizzando il coding.

Negli esempi vengono simulati gli effetti delle forze sulla produzione di diversi tipi di moto con particolare riferimento alle forze di attrito.

Le simulazioni sono state realizzate esclusivamente con metodi numerici che prevedono l’uso delle sole addizioni.

I fenomeni rappresentati da equazioni differenziali del primo ordine vengono ricondotti ad operazioni di aritmetica elementare.

In appendice vengono affrontati gli stessi temi utilizzando metodi analitici con lo scopo di approfondire i vari argomenti affrontati, effettuare verifiche ed illustrare le soluzioni adottate.

Talvolta è stato sacrificato il rigore in favore della facilità di comprensione con lo scopo di consentire esperienze anche ai meno dotati di conoscenze matematiche.

La scrittura del codice aiuta lo studente a comprendere il significato fisico del moto.

Le applicazioni realizzate possono essere utilizzate per studiare alcune proprietà di moti difficilmente riproducibili in laboratorio o difficili da affrontare con metodi analitici.

Così si fa anche laboratorio perché si rilevano misure, si fanno calcoli, si traggono conclusioni.

Si impara a movimentare uno sprite per capire come realizzare simulazioni e giochi realistici..

Con gli esperimenti descritti si fa molta integrazione numerica si indaga anche un po’ sul funzionamento di Scratch.

A chi è rivolta questa pubblicazione

La pubblicazione è rivolta a studenti e docenti della scuola secondaria di secondo grado con lo scopo di offrire occasioni di approfondimento della dinamica per mezzo di simulazioni numeriche.

La comprensione del codice prevede una po’ di conoscenze di base di Scratch.

Nel web esistono molte pagine prodotte per avviare i principianti all’utilizzo di Scratch.

In questa pagina web curata dall’autore ci sono alcune proposte.

In ogni caso, tutti gli script sono ampiamente spiegati ed illustrati nonché giustificati con argomenti teorici sviluppati in appendice.

Altri aspetti generali

sono illustrati alla pagina web dell’autore "Collana coding a scuola":

perché il coding

perché Scratch

a chi sono rivolte le pubblicazioni

note di utilizzo

altre pubblicazioni della collana

Impostazione degli esempi

In questa pubblicazione vengono presentati esempi con:

una prima versione ridotta all’essenziale con il necessario per illustrare il modo con cui è stato generato il moto: gli elementi grafici e lo script di base;

una o più versioni più complesse messe a punto al solo scopo di consentire simulazioni più verosimili o più precise o meglio adatte ad applicazioni didattiche;

approfondimenti e verifiche.

In questo modo con diversi progetti di Scratch si sviluppa l’idea di base fino a rendere possibile eseguire veri e propri esperimenti con tanto di misurazioni da mettere a confronto con i risultati desumibili da calcoli analitici o esperimenti realizzati in laboratorio.

I valori delle variabili coinvolte negli esperimenti vengono considerati alla stregua dei valori misurati di un esperimento, i valori desunti dai calcoli analitici vengono considerati valori veri.

Alcuni esperimenti vengono commentati e discussi effettuando confronti fra valori misurati e valori veri.

Dato che si tratta di esperimenti con valori numerici riconducibili ad eventi reali è stata posta attenzione, dove possibile, al corretto uso delle unità di misura (vedi appendice).

Collegamenti

Questo ed altri lavori di supporto alla didattica sono raccolti nel sito  www.mastropaolo.net.

Il sito contiene attività svolte con Scratch, Picoboard, Micro:bit, Arduino e argomenti di elettronica ed elettrotecnica.

Alcune pagine del sito sono state predisposte per contenere eventuali ulteriori approfondimenti o video che si potranno rivelare interessanti in futuro.

Convenzioni

Le parole riservate (istruzioni, comandi) di Scratch sono presentate racchiuse tra parentesi quadre [] e/o scritte con carattere rosso mattone.

I comandi o le etichette contenuti nei messaggi sono scritti fra virgolette; es.: "disegna punto".

Lungo il testo viene utilizzato indistintamente sia il termine istruzione che il termine comando per indicare la stessa cosa.

Il nome di una variabile o di un parametro è scritto in neretto, esempio: Ys o anche fra virgolette Ys.

I gruppi di istruzioni dello script vengono compresi fra parentesi graffe {}.

I soggetti che utilizzano Scratch sono:

- il programmatore che lavora con l’ editor di Scratch

- l’ utente , che interagisce con il player .

I programmi scritti in Scratch vengono chiamati applicazioni oppure progetti; nelle modalità player sono utilizzabili senza conoscere nulla di programmazione!

È stato fatto il possibile per evitare parole straniere, ma talvolta si è dovuto cedere davanti alla maggiore significatività della lingua inglese dovuta dall’uso che se ne fa in materia di programmazione.

L’autore



Giovanni Mastropaolo si è diplomato perito elettrotecnico  nel 1969 presso l’ITIS Amedeo Avogadro di Torino e si è laureato in ingegneria elettrotecnica nel 1974 presso il Politecnico di Torino con una tesi sperimentale sugli alimentatori switching per macchine utensili a controllo numerico con produzione di un prototipo.

Ha insegnato elettrotecnica, misure elettriche ed impianti elettrici presso un istituto professionale industriale di Torino per 17 anni dove ha introdotto l’uso del computer per il controllo dei processi automatici e l’uso dell’elettronica per il comando dei motori.

Successivamente è stato Preside e poi Dirigente scolastico presso un istituto tecnico industriale di Torino.

È formatore in corsi di aggiornamento per docenti su temi riguardanti coding, Scratch, Arduino, robotica educativa.

Ha sempre avuto interessi per l’elettronica industriale e la programmazione, due aspetti che ora sono alla base della moderna robotica.

Giovanni Mastropaolo

avvertenza

Alla data della pubblicazione tutti gli esempi salvati sul server del sito scratch.mit.edu sono stati tradotti nella versione 3.

Gli esempi illustrati in questa pubblicazione sono stati realizzati con la versione 2 di Scratch e non sono recuperabili dal sito del MIT.

Alla data di pubblicazione di questo lavoro la versione 3 di scratch è immatura.

I progetti scritti nelle versione 3 disponibili sul sito per un po’ di tempo non potranno  funzionare come progettato!

Il team di Scratch deve ancora lavorare per conseguire la piena funzionalità della piattaforma.

Per utilizzare al meglio da subito questa pubblicazione, i progetti nella versione 2 vengono messi a disposizione in una locazione appositamente predisposta.

Tali progetti non sono utilizzabili on-line ma devono essere scaricati sul proprio pc.

I link ai progetti in versione 3 allocati sul sito del  MIT vengono mantenuti ed i progetti saranno aggiornati mano mano che saranno rese disponibili le funzioni necessarie al loro pieno funzionamento.

Le modifiche dei progetti in versione 3 potranno produrre effetti esteticamente diversi rispetto agli esempi presentati sul libro, il funzionamento sarà identico.

Per comprendere progetti messi a disposizione nella versione 3, il lettore dovrà avere la pazienza di leggere le spiegazioni scritte utilizzando le immagini della versione 2.

la resa del moto nella versione 3 on-line, per qualche tempo, potrebbe non essere accettabile!

Suggerisco di scaricare il programma nella versione 3 off-line dal sito sul proprio pc e scaricare i vari progetti sul proprio pc per meglio osservare le simulazioni dei vari moti.

Se si avvertono problemi di funzionamento può essere utile riaprire la pagina web.

In molti casi la modifica di una variabile tramite il cursore potrebbe essere stata sostituita da tasti software.

Le forze

Forze, accelerazioni, variazioni del moto

In cinematica si studiano i moti accelerati senza alcun cenno sulle cause dell’accelerazione, in dinamica si individua nelle forze la causa della variazione del moto¹.

Qui si adottano i principi della dinamica come sono stati elaborati da Newton (wikipedia) con particolare riferimento agli effetti dell’attrito ed ai fenomeni descrivibili con equazioni differenziali del primo ordine.

Il primo principio della dinamica

Il primo principio della dinamica, o principio di inerzia, assicura che un corpo libero da azioni esterne sta fermo o si sposta si moto rettilineo uniforme² relativamente ad un sistema di riferimento inerziale (wikipedia)³.

Grazie alle agli studi di Galileo Galilei e Isaac Newton si è arrivati a descrivere il moto relativo⁴ come variazione di posizione relativamente ad altri corpi considerati fermi (cinematica) ed a studiare le cause delle variazioni del moto quando questo si discosta dal moto rettilineo uniforme⁵ (dinamica).

Nota: quando si parla di variazione del moto si intende in senso vettoriale con riguardo, quindi al valore assoluto della velocità e/o alla sua direzione.

Il secondo principio della dinamica

Il secondo principio della dinamica si può esprimere così:

la variazione del moto  o accelerazione  è proporzionale alla forza applicata  secondo l’espressione:



dove m rappresenta l’inerzia del corpo.

L’inerzia è la proprietà che un corpo ha di opporsi alla variazione di moto: più è grande m, minore sarà l’accelerazione a parità di forza applicata.

Se c’è un’azione