Cronaca di un laboratorio sui circuiti morbidi

Ieri (6 ottobre) abbiamo fatto un bel laboratorio su circuiti morbidi (squishy circuits) e morbibot presso gli Orti Dipinti. Anche il tempo è stato favorevole, malgrado le previsioni fosche il pomeriggio è invece stato molto bello. Una sola cosa non ha funzionato: mi sono dimenticato di registrare l’introduzione. Ho rimediato con qualche discorso registrato mentre gli studenti lavoravano ma completo con alcuni brani registrati in studio e con queste righe.

Non abbiamo parlato all’inizio dei feedback degli studenti, come siamo soliti fare, per non perdere tempo, temendo l’arrivo della pioggia.    Come prima cosa abbiamo invece attribuito il lavoro alla Maestra Maria Grazia Fiore, senza la quale io queste cose non le avrei probabilmente mai fatte. Maria Grazia è venuta a fare un seminario nel  2018 e 2019, lasciando un grande ricordo agli studenti che l’hanno seguita. La gestione conseguente alla pandemia ha reso impossibile organizzare per tempo qualcosa di simile. Maria Grazia “era” comunque con noi. Sono molte le presenze in rete (e nella vita reale) di Maria Grazia che potete esplorare:

Abbiamo anche dedicato delle parole a Giacomo Salizzoni, creatore degli Orti Dipinti, contesto ideale per ospitare laboratori  di questo genere. Grazie!

Abbiamo commentato subito le possibili sinergie fra i temi promossi nel giardino e un laboratorio di tecnologie didattiche. Un esempio al volo: unire in un’esperienza didattica la tecnica antichissima della sub-irrigazione con anfore di terracotta utilizzata presso gli Orti Dipinti con la misura dell’umidità del terreno effettuata con Arduino. Antico e il moderno, paradigma che dovrebbe ispirare qualsiasi attività formativa.
Poi abbiamo passato in rassegna i principali componenti che avremmo usato, con dei brevissimi flash di “fisica raccontata” per essere in grado di affrontare i piccoli problemi che possono sorgere in questo tipo di attività. I componenti erano:    

  1.     Pile. Ne avevamo da 1.5, 3, 4.5, 9 volts, in vari formati: bottone, stilo, rettangolari ecc… È utile disporre di una gamma perché a seconda di come viene costruito il circuito può essere necessario usare un voltaggio piuttosto che un altro.
  1. Pasta conduttiva (grazie al sale) e pasta isolante (grazie allo zucchero). L’avevano fatta tutti: bravi! È emerso che quella fatta in casa è meglio di quella comprata perché più malleabile.
  1. LED rossi, gialli e verdi. Abbiamo spiegato come funzionano, in particolare il fatto che vanno collegati con la polarità giusta: hanno due gambe, quella lunga va collegata al polo positivo e l’altra a quello negativo, altrimenti il LED (Light Emitting Diode), come tutti i diodi, si comporta come uno sbarramento per la corrente.
  1. Interruttori. I nostri avevano tre poli. Per fare un semplice interruttore acceso-spento si deve collegare il polo centrale a un capo del circuito e l’altro a uno dei due laterali, non importa quale. Usandoli tutti e tre si può realizzare un deviatore, che indirizza la corrente in un ramo del circuito o in un altro. Un gruppo ieri ha escogitato una soluzione del genere.
  1. Cavi con coccodrilli. Comodissimi per  fare circuiti al volo.
  1. Più tardi abbiamo introdotto i motorini elettrici, con cui tutti hanno dotato i loro modelli di eliche o girandole.

Abbiamo cercato di illustrare con parole minime il concetto di potenziale. Ci siamo rifatti al concetto di energia potenziale che abbiamo illustrato con una gag dove 1 Kg di pasta cadeva sulla testa di una studentessa volontaria: da un 1 cm non ci sono stati problemi, da un metro… lei si fidava (commovente la fiducia…) ma io non me la sono sentita. Perché? Per via dell’energia potenziale: da una maggiore altezza il grave ha modo di acquisire maggiore velocità e siccome l’energia cinetica va come la velocità al quadrato il grave fa più lavoro, o più male, a seconda dei punti di vista… Quell’energia cinetica è immagazzinata sotto forma di energia potenziale nel grave tenuto ad una certa altezza. Analogo è il caso del potenziale elettrico creato da una batteria. In questo caso gli elettroni accumulati nel catodo della batteria tendono a “cadere” verso ciò che sentono positivo, travolgendo quello trovano. Costruendo un circuito elettrico noi facciamo trovare sul loro percorso dei congegni che vengono attivati dalla loro energia, come succede con l’acqua accumulata in una centrale idroelettrica (altra forma di accumulo di energia potenziale) quando  viene lasciata cadere lungo le condutture sulle pale di un dinamo (che girando produce energia elettrica). Abbiamo anche discusso il fatto che se l’acqua ha troppa energia distrugge le pale della dinamo, se ne ha troppo poca le bagna solamente, senza farle girare. Questo per capire che occorre scegliere la pila giusta a seconda del circuito. Gli ingegneri sanno fare i calcoli giusti. Nei nostri contesti didattici possiamo andare per tentativi. L’unico rischio con un diodo è che lo si tenga accesso con un voltaggio eccessivo per troppo tempo col rischio di bruciarlo. Basta staccarlo subito se si vede che fa una luce troppo intensa.

Per illustrare il concetto di resistenza elettrica abbiamo fatto finta che la studentessa fosse una sirena e io il maestro Tartaruga (Testuggine in questo caso)…

The master was an old Turtle — we used to call him Tortoise — “Why did you call him Tortoise, if he wasn’t one?” Alice asked.
“We called him Tortoise because he taught us,” said the Mock Turtle angrily; “really you are very dull!”
“You ought to be ashamed of yourself for asking such a simple question,” added the Gryphon; and then they both sat silent and looked at poor Alice, who felt ready to sink into the earth.

Lewis Carroll, Alice’s Adventures in Wonderland

Se il peso specifico del grave è un poco superiore a quello dell’acqua questo cade lentamente: non c’è più pericolo. Nei circuiti elettrici si mettono le resistenze (anche) per salvaguardare altri componenti.

Come abbiamo visto nel lab in questo tipo di circuiti si può lavorare a occhio, anche perché grossi danni non si fanno. L’importante è essere in grado di fare ragionamenti idonei a risolvere i problemi che capitano. In fondo a questo post i curiosi trovano qualche dettaglio in più sulle caratteristiche dei diodi e su come aggiustare la resistenza per proteggerli.

È interessante qui citare le conclusioni a cui sono giunti spontaneamente alcuni di voi alla fine del lab: attività di questo tipo

  1. esercitano a elaborare i risultati negativi per individuare soluzioni
  2. esercitano il pensiero logico necessario per venire a capo dei problemi
  3. stimolano la socializzazione e l’atteggiamento cooperativo

Ottimo!

La richiesta generale è di continuare così. La prossima volta scribbling machines!


Appena un po’ più sul tecnico…

Qualche parola su come aggiustare le resistenze nei circuiti. La situazione può essere sintetizzata con uno schema di questo tipo:

Esempio con un LED ma potrebbe esserci qualsiasi altra cosa o combinazione di cose. Tutte le resistenze del circuito possono essere riunite nella resistenza R. V rappresenta il voltaggio della cosiddetta forza elettromotrice, nel nostro caso una pila. L’interruttore qui è aperto. Il verso (qui orario) della corrente è una convenzione consolidata anche se in realtà chi si muove sono gli elettroni nel senso opposto: ai fini dei calcoli parlare di cariche negative che vanno a sinistra o cariche positive che vanno a destra è la stessa cosa.

Qualche fatto pratico sui LED, senza entrare nei meandri della fisica quantistica che ha consentito di concepire questi e tutti gli altri micro-componenti elettronici che pervadono le nostre vite. La corrente può circolare in un verso solo, si è detto. Quindi in un verso non passa mentre nell’altro produce luce grazie alla forza elettromotrice della pila ma non a prescindere dal suo valore in Volt. Questo deve essere appropriato, affinché ci passi la giusta quantità di corrente. Può essere interessante e adeguato qui specificare come non debba trattarsi di un valore preciso ma come esista un range di valori in cui il LED si comporta sufficientemente bene e senza soffrire, semplicemente emettendo più o meno luce. Questo si capisce guardando la “curva caratteristica” fra tensione applicata (in Volt, V) e corrente ottenuta (in milliampere, mA). Tali informazioni insieme a molte altre si trovano nei dati che vengono sempre resi disponibili con tutti i componenti, i cosiddetti datasheet. A noi possono disorientare tutti quei numeri — comunque i curiosi possono andare a vedere quelli per i diodi rossi, gialli e verdi. Vediamo giusto i grafici tensione-corrente per i tre diodi:

Quello che si deve fare è cercare di stare più o meno nella parte centrale di queste curve.

Come fare se la nostra pila dà troppa tensione? Per ridurre la tensione che finisce ai capi del LED occorre aggiustare il valore della resistenza R. Questa si può calcolare con una formula che deriva da una delle cosiddette leggi di Kirkhoff:

R = \frac{\left(V-V_d\right)}{i}

dove R è la resistenza da caclcolare, V è la tensione della pila e V_d è la tensione che vorremmo dare al LED. Facciamo un esempio. Volendo dare a un LED rosso una tensione V_d pari a 1.9 V con una pila da 3 V, dal grafico a sinistra deduciamo che la corrente i deve essere di 10 mA e sostituendo questi valori nella formula precedente otteniamo:

R = \frac{\left(3-1.9\right)}{0.01} = 110

Il valore che si ottiene risulta espresso in Ohm (Ω), se si sono usati valori in Volts per la tensione e Ampere per la corrente, cosa che abbiamo fatto perché 3V andavano già bene mentre il valore di corrente di 10 mA equivale a 0.01 Ampere, che è quello che abbiamo usato. In realtà le resistenze commerciali sono disponibili solo per certi valori, ma l’approssimazione che si ottiene è sufficiente, per esempio nel nostro caso, la resistenza acquistabile con il valore più vicino a 110 Ω è quella di 120 Ω. Avremo solo una corrente un po’ diversa ma comunque accettabile, verrebbe pari a 9.2 mA che va benissimo lo stesso.

In fondo a questo sito c’è anche un modulo che consente di fare automaticamente il calcolo.

2 pensieri riguardo “Cronaca di un laboratorio sui circuiti morbidi”

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