Gli studenti, quando osservano le formazioni rocciose sul campo o sulle foto proposte dai libri, si chiedono “perché spesso le rocce risultano piegate?”.  Questo esperimento fornisce una risposta semplice, adatta agli studenti del primo biennio, a un fenomeno molto complesso che potrà essere approfondito nella trattazione di argomenti di fisica e scienze negli anni successivi.

L’esperimento introduce all’osservazione del comportamento plastico o elastico delle rocce. Prima si osserva il diverso comportamento di una miscela di acqua e maizena, quando si esercita una forte pressione o movimenti lenti, confrontando i due comportamenti. Nel primo caso il fluido opporrà molta resistenza nel secondo caso il fluido avrà un comportamento simile all’acqua. Si passa poi ad analizzare, attraverso una simulazione, cosa accade agli strati di rocce quando vengono sottoposti ad una sollecitazione lenta ma continua nel tempo. Si arriva così a concludere che le rocce, in determinate condizioni, si comportano come liquidi non Newtoniani.

Nessuna

L’insegnante inizia  la discussione con gli studenti utilizzando alcuni riferimenti che appartengono alla sfera quotidiana di ognuno come la conoscenza delle sabbie mobili e della loro pericolosità (vedi video https://www.youtube.com/watch?v=pyDtN070I7U). Si chiede loro se conoscono un metodo per non affondare e quindi salvarsi la vita..
Si passa quindi alla fase sperimentale vera e propria.

Si passa prima alla preparazione della miscela non newtoniana preparando un composto di acqua e maizena, in un rapporto di circa 1:2. È necessario che il composto sia fluido, se sembra troppo denso, basta aggiungere un po' d'acqua perché ritorni allo stato fluido. Immergendo la mano , protetta da un guanto, si osserva che più velocemente  la muoviamo più ci sarà difficile mescolare, fino ad arrivare a un punto in cui ci sarà addirittura impossibile mescolare. Desterà sicuramente curiosità il fatto che, una volta smesso di mescolare, il fluido ritorna al suo stato originario (liquido) . Prendendo  in mano un po'  di  fluido e schiacciandolo con forza il miscuglio  sembra diventare solido ma quando si apre la mano, un po' alla volta il composto comincerà a fluire. Se si  prova a dare un pugno sulla superficie del fluido la mano rimarrà incastrata e si riuscirà a sollevare anche il contenitore. Si può confrontare questo effetto con lo stesso esperimento realizzato  utilizzando solo acqua o olio. Si chiede agli studenti di osservare cosa succede e  perché la miscela del primo esperimento si comporta in modo alquanto diverso. Non sarà facile per loro rispondere ma la discussione sarà sicuramente accesa e li avrà motivati all’ascolto della trattazione teorica.

La miscela di acqua e maizena è un fluido non newtoniano. Un fluido non newtoniano è un fluido la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato: si comporta quasi come un solido se sottoposto ad una forza improvvisa, mentre conserva le caratteristiche di un liquido (molto viscoso) se la forza è regolare e continuata.
Nell'esperimento proposto,  la  maizena  non  si  scioglie  nell'acqua,  ma le  sue  particelle rimangono  in  sospensione.  Quando  si  esercita  una  forte  pressione introducendo repentinamente un oggetto nel fluido,  le  particelle  si ammassano  e  non  fanno  penetrare  l'oggetto.  Se  invece  un oggetto viene immerso lentamente, le particelle hanno il tempo di separarsi e l’oggetto passa più facilmente. Anche il  fango e le sabbie mobili  sono fluidi  non newtoniani:  se vi  si affonda,  bisogna sollevare le gambe molto lentamente,  altrimenti  si resta sempre più intrappolati  perché facendo  movimenti  veloci  si  esercita  una  pressione  maggiore  e  le  sabbie  mobili  si oppongono con maggior resistenza.
L’acqua e l’olio sono liquidi il cui grado di viscosità  non varia con la velocità con cui si effettua la misura, essa dipende unicamente dalla temperatura e dalla pressione alle quali sono sottoposti (oltre, ovviamente, alla loro composizione chimica), mentre la forza che li colpisce è ininfluente) cioè sono liquidi newtoniani.

Video suggeriti
https://youtu.be/RIUEZ3AhrVE
https://www.youtube.com/watch?v=v581Y50-bow

Si utilizza una vaschetta rettangolare di plastica trasparente all’interno della quale viene collocata una tavoletta di legno che fungerà da stantuffo. La tavoletta sarà disposta parallelamente ad una delle pareti corte della vaschetta rettangolare. Si riempie la vaschetta inizialmente con un primo strato di sabbia colorata e inumidita così da aumentare la coesione fra i granuli, quindi si completa il riempimento con gli altri strati colorati così da simulare una formazione di rocce sedimentarie stratificate. Molto lentamente si spingerà la tavoletta verso la parete opposta della vaschetta generando una pressione perpendicolare agli strati. Si formeranno delle pieghe, proprio come quelle che si possono osservare in alcuni affioramenti superficiali di rocce sedimentarie o comunque stratificate o foliate.

Uno dei più grandi misteri della geologia sono le pieghe che spesso presentano  le rocce  che vediamo  sulla superficie terrestre. Siamo infatti abituati a pensare alle rocce come corpi rigidi e solidi magari capaci di rompersi, fratturarsi ma non di piegarsi. Il mistero può essere svelato se consideriamo che questi corpi rocciosi, un tempo si trovavano all'interno della crosta terrestre, dove agiscono fattori come la pressione e la temperatura che ne modificano il comportamento e la loro risposta alle sollecitazioni. La deformazione delle rocce, inoltre, è influenzata dalla presenza di fluidi e dalla velocità di deformazione. E’ dimostrato che corpi rigidi se sottoposti a sollecitazioni rapide si rompono, mentre si possono comportare in modo plastico quando sono soggetti a deformazioni lente e prolungate nel tempo. Le rocce quindi manifestano un comportamento che può essere elastico o plastico. La deformazione elastica avviene quando la roccia si trova nei livelli superiori della crosta terrestre ed è favorita dalle alte velocità di deformazione (si formano faglie e fratture). La deformazione plastica è favorita da pressioni e temperature più elevate e quindi a maggiori profondità. E' inoltre favorita da basse velocità di deformazione. Quindi le pieghe delle rocce che vediamo in superficie sono generalmente originate dalle deformazioni in profondità generate da lenti sforzi di taglio e prolungati nel tempo.

Valutazione: gli allievi dovranno lavorare (in gruppo ed individualmente) sia per redigere una relazione schematica - corredata da immagini o fotografie - riguardante il materiale occorrente, la descrizione, l’osservazione, la conclusione, sia per esporre i concetti fondamentali cui le esperienze fanno riferimento.

L’esperimento simula il comportamento plastico delle rocce che, al pari dei liquidi non newtoniani, nelle profondità della Terra, manifestano un comportamento plastico se sottoposte a deformazioni lente e continue generando pieghe. L’attività è stata progettata insieme agli studenti e durante il “testaggio” dell’esperimento ci si è resi conto che bisognava inumidire la sabbia sintetica per aumentare la coesione fra i granuli. Questa osservazione ci porterebbe ad approfondire il fenomeno della “ coesione” fra i granuli dei sedimenti in funzione della quantità di acqua presente, concetto che loro hanno sperimentato con i castelli di sabbia fatti sulla spiaggia ma che è fondamentale per comprendere i fenomeni franosi.

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Leonetti Liliana