Insegnare fisica/Basi cognitive/Primo principio

Difficoltà nei concetti di velocità e accelerazione

Nonostante che il principio di inerzia di per sé sia indubbiamente uno degli elementi più complessi nel determinare la corretta comprensione del fenomeno fisico da parte di uno studente, troppo lontano dal senso comune di tutti i giorni, entrano in gioco anche altri fattori che ne complicano ulteriormente il significato. Questi fattori riguardano il valore ontologico della velocità e dell’accelerazione, indiscutibilmente necessario per un corretto utilizzo del primo e del secondo principio della dinamica. È stato visto, ad esempio, come gli studenti posso cadere in errori quali “l’accelerazione massima si ha in corrispondenza della velocità massima” o “l’accelerazione è costante quando anche la velocità è costante”, oppure “l’accelerazione è uguale a zero quando la velocità è zero” così come “a grandi/piccole accelerazioni corrispondono grandi/piccole velocità”. Altre misconcezioni di questo tipo possono essere: “se due oggetti hanno la stessa velocità allora hanno la stessa accelerazione”, “quando il modulo della velocità è zero l’accelerazione è zero”, “un oggetto che si muove di moto circolare non ha accelerazione” e “l’accelerazione è la variazione di velocità (senza contare la direzione)”.

A eccezione degli ultimi tre (dove compare un’evidente difficoltà nel comprendere il significato vettoriale dell’accelerazione) facciamo notare che sussiste una tendenza ad accostare la stessa quantità (in modulo) sia all’accelerazione che alla velocità.

Inerzia nel moto rotazionale

Lastra a spirale, posta verticalmente e vista dall’alto (sopra) e moto circolare uniforme di una sferetta sul piano orizzontale (sotto). In tratteggiato la traiettoria della sferetta rilasciata dai vincoli. A sinistra le risposte corrette, a destra quelle (errate) preferite dagli studenti. Nelle due figure poste in alto, la posizione iniziale della sferetta è indicata con una freccia.

Prendiamo adesso in considerazione un moto di tipo rotazionale. In questo caso, una pallina viene mossa all’interno di un tubo cilindrico avente sezione a spirale e poggiato verticalmente su un piano orizzontale come indicato in figura. Circa il 50% degli studenti ha ipotizzato una traiettoria di uscita della pallina simile al caso B indicato in immagine, invece della risposta corretta (caso A). Sempre come indicato in figura, è stata effettuata anche la variante del corpo attaccato al filo e poi lasciato andare. In più, sono stati condotti altri esperimenti simili, che hanno dato risultati di egual natura. Riteniamo questo tipo di esempio interessante perché pensiamo che manifesti la tendenza degli studenti a concepire una sorta di principio di inerzia, ma invece di riprendere la velocità finale e mantenerla su una traiettoria rettilinea, sembrano avere la tendenza a imitare la traiettoria precedente (la risposta privilegiata dai soggetti è quella tipo curvilineo, simile al moto a spirale indotto dal tubo). Tuttavia, considerando che, secondo la fisica cognitiva, come si è visto nel caso delle forze, la forza si muove sempre in direzione del moto, e che quindi non sono le forze a determinare la curvatura del moto (sia prima che dopo l’uscita dalla spirale) è altrettanto probabile che sia la “teoria d’impeto” a condurre i soggetti a disegnare simili traiettorie dopo la fuoriuscita dal tubo.