Il percorso dell'acqua

Riassunto / Abstract

L’obiettivo dell’attività proposta è la riproduzione di un fenomeno naturale difficilmente osservabile in modo diretto: il movimento dell’acqua nel sottosuolo e nei vari tipi di suoli. Attraverso la realizzazione di questa attività gli studenti visualizzeranno quali sono i terreni che fanno registrare i tempi più lunghi/brevi per farsi attraversare, acquisendo il concetto di permeabilità. Inoltre, attraverso simulazioni di pompaggio dell’acqua, sarà possibile valutare le caratteristiche dei diversi materiali e familiarizzare con i principi dell’idrogeologia (parte dell’idrologia che studia la distribuzione e i movimenti delle acque sotterranee)

Scheda sintetica delle attività

L'attività consiste nel misurare la velocità di attraversamento dell’acqua nei diversi tipi di materiali e la differente quantità di acqua trattenuta dagli stessi.
In tre diversi tipi di materiale (ghiaia, sabbia grossolana, sabbia fina), si misura quanta dell'acqua inizialmente versata (400 ml nell'esperienza qui descritta) attraversa i tre diversi tipi di materiali e quanta invece viene trattenuta.
Attraverso la misurazione, la raccolta dati e la loro analisi, si deve capire qual è il materiale che ha maggiore capacità di trattenere l’acqua e quello dove invece la velocità con la quale la stessa acqua lo attraversa è massima.
Si effettuano, inoltre, prove di pompaggio, per visualizzare da quale materiale è più facile estrarre acqua.

Risorse necessarie

Campioni di materiale a granulometria differente (ghiaia, sabbia grossolana, sabbia fine);
3 imbuti (che si possono ricavare da bottiglie di plastica tagliate a metà);
3 becker da mettere sotto gli imbuti + 1 becker per i travasi di di acqua;
garza;
laccetti;
1 tubicino di plastica di circa 15 cm, con forellini laterali;
acqua;
colorante per l’acqua (antigelo per automobili);
cronometro.

Prerequisiti necessari

Nozioni sull’origine e la formazione dei terreni;
descrizione e classificazione dei terreni;
elementi di meccanica (velocità).

Obiettivi di apprendimento

Comprendere cosa si intende per granulometria dei materiali (dimensione dei granuli che costituiscono una roccia o un terreno sciolto) e scoprire quindi le caratteristiche dei terreni;
comprendere cos’è la permeabilità (capacità delle rocce o dei terreni inconsolidati di essere attraversati dai fluidi);
scoprire le caratteristiche dei terreni;
familiarizzare con l’idrogeologia.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

La metodologia e la strategia didattica di base è quella di individuare un fenomeno facilmente osservabile in laboratorio tramite modello (ma non in natura) e misurabile attraverso materiali e strumenti facilmente reperibili.
L’esperimento misura la velocità di attraversamento dell’acqua nei diversi tipi di materiali e la differente quantità di acqua trattenuta dagli stessi. Attraverso la misurazione, la raccolta dati e la loro analisi, si dimostrerà che è la composizione granulometrica di un suolo a incidere sulla sua capacità di trattenere l’acqua e sulla velocità con la quale la stessa acqua lo attraversa. In particolare, a seconda dei materiali di cui sono composti i terreni in natura, essi risultano più o meno permeabili, lasciano cioè passare l’acqua più o meno facilmente.

L’esperimento si esegue nel modo seguente (per visualizzare il video dell'esperienza clicca qui):

si tagliano le bottiglie e si sostituisce il tappo con una garza, necessaria a trattenere il terreno all’interno della bottiglia (figura 2 e 3).

Si riempie ogni bottiglia con un diverso materiale (ghiaia, sabbia grossolana, sabbia fina) e si mettono le bottiglie a testa in giù dentro i contenitori (figura 4).

Si colora l’acqua con un antigelo per renderla visibile quando cadrà nel contenitore (figura 5).

Si versa in ogni bottiglia lo stesso quantitativo di acqua (400 ml) (figura 6) e per ogni materiale, si registra il tempo iniziale e finale di percolazione dell’acqua.

Si effettua la prima misura nella ghiaia (figura 7).

Si ripete la misure con la sabbia grossolana (figura 8)

Si ripete la misura con la sabbia fina (figura 9).

Si confrontano i quantitativi di acqua percolati attraverso i differenti materiali (Figura 10).

Si prepara una tabella nella quale vengono riportati i dati raccolti e le osservazioni fatte durante la misura (tabella 1)

Tabella 1: valori dei tempi misurati per i tre campioni

Se si vuole effettuare anche la prova di emungimento:

Si tappano le bottiglie con i tappi in modo tale che possano contenere l’acqua precedentemente percolata (in modo tale da simulare un acquifero) (figura 11).

Si inserisce un tubo bianco forellato nel materiale e si pompa l’acqua, prima nella ghiaia (figura 12) e poi nella sabbia grossolana (figura 13) e si valuta la quantità di acqua risalita per emungimento.

Note e storia

La granulometria è una proprietà molto importante per diversi campi delle Scienze (Goelogia, Idrogeologia, Agronomia, Pedologia, ecc). Essa identifica le dimensioni dei granuli che compongono un suolo, un terreno o una roccia sedimentaria.

Le classi granulometriche sono 4, in base al diametro medio dei granuli d:

ghiaia (2 mm < d < 64 mm)
sabbia (1/16 mm < d < 2 mm)
silt (1/256 mm < d < 1/16 mm)
argilla (d <1/256 mm)

I diversi tipi di terreno, che si utilizzano durante l'attività, sono il risultato del verificarsi di fenomeni naturali capaci di trasformare la roccia originaria in materiale incoerente (attraverso processi come l’erosione, il trasporto e il deposito), di cui uno degli artecifici principali è proprio l'acqua.

Dalla granulometria dipende la permeabilità di un terreno/suolo/roccia. La permeabilità è la facilità che ha un terreno/suolo/roccia a farsi attraversare dall’acqua.

In un terreno/suolo l'acqua di filtrazione si muove generalmente attraverso numerosi piccoli vuoti intergranulari traloro comunicanti (permeabilità per porosità). La permeabilità è proporzionale al quadrato della granulometria (formula di Hazen). Portando l’esempio di una ghiaia e di una sabbia, in entrambi i casi l'acqua attraverserà gli spazi intergranulari ma nel caso della ghiaia questi spazi saranno più ampi rispetto agli analoghi spazi presenti nella sabbia perché aumentano proporzionalmente alla granulometria. L’acqua attraverserà dunque la ghiaia più facilmente e risulterà quindi più permeabile della sabbia. La permeabilità si misura generalmente come velocità e come unità di misura viene utilizzato il metro/secondo.

Le rocce compatte (ad es. i calcari) contengono generalmente pochi vuoti costituiti da fessure grandi e piccole (permeabilità per fessurazione).

La presenza dell'acqua nel sottosuolo e la sua possibilità di muoversi dipendono da alcuni fattori. Se immaginiamo di osservare il suolo (terreno) alla scala dei singoli granelli, si individua intorno alle cavità presenti sulla superficie di ogni singolo granello un sottile velo di acqua che aderisce saldamente alle pareti di tali cavità perché le molecole di acqua si comportano come dipoli fortemente attratti dalle molecole del granello (acqua igroscopica). Un secondo velo di acqua, sempre saldato dalle forze elettriche, circonda il primo (acqua pellicolare). L’acqua igroscopica e pellicolare sono difficilmente eliminabili. Negli spazi intergranulari che presentano dimensioni capillari l’acqua è presente e si muove per capillarità (acqua capillare). Se gli spazi sono isolati quest’acqua, insieme a quella igroscopica e capillare costituisce il complesso di ritenzione idrica, e non è soggetta a movimento. Se l’acqua si muove in spazi continui e comunicanti è detta acqua gravifica, perché si muove secondo la legge di gravità. Quella che vedremo sgocciolare nei becker durante l’esperimento è proprio l’acqua gravifica, mentre l’acqua igroscopica, pellicolare e capillare non sono visibili alla scala macroscopica.

Autori

Cifelli Francesca
Mazza Roberto