Attività: prove sulle proprietà dei materiali

I libri di testo descrivono le proprietà dei materiali ma le presentano quasi sempre come definizioni da studiare. Questa attività rovescia il percorso: invece di leggere che cos’è la durezza o la tenacità, gli studenti le mettono alla prova con campioni reali e ne ordinano i risultati. L’obiettivo è trasformare un elenco di parole (“durezza”, “resilienza”, “elasticità”) in qualcosa che si tocca, si gratta, si piega e si misura.

Il riferimento concettuale è solido. Materialia distingue chiaramente le tre famiglie di proprietà: le proprietà meccaniche descrivono “la loro risposta alle forze esterne” e includono “la durezza, la resilienza e la resistenza alla fatica, misurata tramite la resistenza alla compressione, flessione, trazione, taglio e torsione”; le proprietà fisiche (densità, conducibilità termica ed elettrica, assorbimento dell’umidità); le proprietà tecnologiche, che riguardano la lavorabilità (plasticità, duttilità, malleabilità, elasticità). Nello stesso testo le definizioni operative sono nette: la durezza è “la capacità di un materiale di resistere all’abrasione e alla deformazione”; la resilienza o tenacità è “la capacità di un materiale di resistere agli urti senza rompersi o fratturarsi”, con la distinzione tra materiali tenaci e fragili; la resistenza alla fatica è “la capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni ripetute e diverse come la trazione, la compressione, la flessione, il taglio e la torsione” (proprieta-e-classificazione-dei-materiali).

Il testo fornisce anche il principio di una prova reale: “la tenacità si misura con una mazza che viene lasciata cadere su un campione da un’altezza predefinita. La resilienza dipende dal lavoro che la mazza deve compiere per rompere il campione” — è il principio del pendolo di Charpy, che in classe diventa la base per una versione semplificata e sicura.

L’impianto operativo dell’attività (campioni da confrontare, protocollo di prova, scale di ordinamento, scansione in livelli) è una (proposta progettuale): i testi offrono le definizioni e i principi delle prove, non un protocollo di laboratorio per la scuola secondaria di primo grado.

Target

• Classi prime della scuola secondaria di primo grado, all’interno del modulo iniziale su materie prime e proprietà dei materiali. (proposta progettuale)
• Funziona sia come introduzione esperienziale (prima di studiare le definizioni) sia come consolidamento dopo la teoria.
• Adatta al lavoro in piccoli gruppi (3-4 studenti per banco-laboratorio).

Durata

• Versione base (2-3 prove qualitative su pochi campioni, con tabella di confronto): 2 ore, una lezione. (proposta progettuale)
• Versione intermedia (4-5 prove, ordinamento dei materiali in scale e prima quantificazione): 3-4 ore. (proposta progettuale)
• Versione avanzata (protocollo standardizzato, misure ripetute, relazione di laboratorio): 4-5 ore su più lezioni. (proposta progettuale)

Materiali

Tutto materiale povero, di recupero e a basso costo. (proposta progettuale)

Campioni da provare (almeno uno per famiglia, di dimensioni confrontabili):

• legno (un listello o una matita) — il-legno;
• metallo (graffetta, chiodo, lattina, cucchiaino) — i-metalli-e-le-leghe;
• plastica (cannuccia, tappo, righello, pezzo di flacone) — materie-plastiche-e-gomme;
• vetro o ceramica (una piastrella, un coccio: maneggiati solo dal docente) — il-vetro, i-materiali-ceramici;
• carta e cartone — la-carta;
• gomma (un elastico, una gomma da cancellare) e una fibra tessile (un filo, un pezzo di stoffa) — le-fibre-tessili.

Strumenti per le prove:

• una moneta, un’unghia, un chiodo per le prove di graffio (durezza relativa per abrasione);
• pesi uguali e ripetibili (monetine, bicchierini con sabbia/riso) per i carichi;
• un righello e una bilancia da cucina (per stimare la densità e misurare deformazioni e carichi);
• una bacinella d’acqua (prova del galleggiamento/densità);
• guanti, occhiali di protezione e un panno per i campioni rigidi.

Per registrare:

• scheda di laboratorio con tabella di confronto;
• fotocamera del tablet/telefono per documentare campioni e rotture.

Prerequisiti

• Concetto di materia prima e materiale, e idea che un materiale ha proprietà diverse da un altro (proprieta-e-classificazione-dei-materiali). (proposta progettuale)
• Saper compilare una tabella e ordinare dei dati (anche dal percorso di matematica/scienze).
• Regole di sicurezza in laboratorio: niente campioni in bocca, manipolazione di vetro e ceramica solo guidata, uso degli occhiali nelle prove di rottura. (proposta progettuale)

Procedura (fasi)

L’intera scansione è una (proposta progettuale) costruita sulle definizioni di Materialia.

Fase 0 — Le domande di partenza (15 min). Il docente mostra i campioni e pone domande aperte: quale si graffia più facilmente? quale si piega senza rompersi? quale galleggia? Si raccolgono le ipotesi della classe prima di provare. Questo collega l’esperienza alle proprietà che verranno definite.

Fase 1 — Prova di durezza per graffio (30 min). Sfruttando la definizione di durezza come resistenza “all’abrasione e alla deformazione”, ogni gruppo prova a graffiare ciascun campione con l’unghia, poi con una moneta, poi con un chiodo, e annota cosa graffia cosa. Si costruisce così una scala di durezza relativa (chi graffia è più duro), versione semplificata e a misura di classe dell’idea di scala di durezza. (proposta progettuale)

Fase 2 — Prova di tenacità / fragilità (30 min). Si distinguono i materiali tenaci da quelli fragili secondo Materialia. In sicurezza, il docente (o il gruppo guidato dal docente) prova a piegare o a far cadere campioni equivalenti: plastica e metallo si deformano senza spezzarsi, vetro e ceramica si rompono di netto. Per avvicinarsi al principio della prova di resilienza descritto nel testo (la mazza che cade da un’altezza fissa), si può lasciar cadere un piccolo peso uguale da un’altezza uguale su campioni diversi e osservare chi si rompe e chi resiste. (proposta progettuale)

Fase 3 — Prova di trazione semplificata (25 min). Per avvicinarsi alla “resistenza alla trazione” citata dal testo, si tira un campione filiforme (filo di cotone, elastico, striscia di carta, striscia di sacchetto di plastica) appendendovi pesi crescenti e contando quanti pesi servono prima della rottura. Si confrontano i materiali a parità di sezione, registrando il carico di rottura in numero di pesi o in grammi. (proposta progettuale)

Fase 4 — Prova di elasticità e di flessione (20 min). Si verifica l’elasticità (proprietà tecnologica per Materialia): un campione (elastico, righello di plastica, listello di legno) viene deformato e si osserva se torna alla forma iniziale. Per la flessione si appoggia il campione tra due sostegni e si carica al centro, confrontando di quanto si abbassa.

Fase 5 — Densità e galleggiamento (15 min). I campioni vengono immersi in acqua: chi galleggia, chi affonda. Collega l’osservazione alla densità (proprietà fisica). Se c’è la bilancia, si pesano campioni di volume simile per confrontare “leggero/pesante”.

Fase 6 — Tabella di confronto e conclusioni (30 min). Ogni gruppo completa la tabella riga per materiale e colonna per proprietà, poi scrive una frase per ciascun materiale (“il vetro è duro ma fragile”, “la plastica è tenace e leggera”). Si confrontano i risultati con le ipotesi della Fase 0 e con le definizioni del libro. (proposta progettuale)

Prodotto finale

• Una scheda-tabella di confronto compilata, con i materiali in righe e le proprietà testate in colonne (durezza, tenacità/fragilità, resistenza a trazione, elasticità, densità). (proposta progettuale)
• Una scala di durezza relativa della classe (dal più tenero al più duro).
• Una breve relazione di laboratorio (versione avanzata): ipotesi, procedura, risultati, conclusioni, una frase su quale materiale sceglieresti per un certo oggetto e perché.
• Documentazione fotografica dei campioni e delle rotture.

Valutazione

Si valuta più il metodo (osservare, provare, ordinare, motivare) che il risultato numerico. La rubrica seguente è una (proposta progettuale).

Criterio	Iniziale	Base	Intermedio	Avanzato
Esecuzione delle prove	Esegue le prove solo se guidato passo passo e in modo poco accurato	Esegue le prove con qualche imprecisione, seguendo le istruzioni	Esegue le prove correttamente e in autonomia, rispettando la sicurezza	Esegue le prove con cura, ripete le misure e cura la ripetibilità a parità di condizioni
Uso dei termini (durezza, tenacità, fragilità, elasticità, densità)	Confonde le proprietà tra loro	Usa i termini principali con qualche errore	Associa correttamente ogni prova alla proprietà	Usa i termini con precisione e li collega alle definizioni del libro
Registrazione e ordinamento dei dati	Tabella incompleta o disordinata	Compila la tabella con i dati essenziali	Compila la tabella completa e ordina i materiali in scale coerenti	Tabella completa, ordini motivati e confronto con le ipotesi iniziali
Interpretazione e collegamento agli usi	Non spiega i risultati	Spiega qualche risultato in modo generico	Spiega i risultati e li collega alle proprietà	Collega proprietà e impieghi reali (“userei questo materiale per… perché…“)
Collaborazione e sicurezza	Partecipa poco, va richiamato sulle regole	Partecipa e rispetta le regole di base	Collabora attivamente e rispetta la sicurezza	Coordina il gruppo e fa rispettare le regole agli altri

Adattamenti inclusivi

BES/DSA

• Fornire la tabella già intestata con icone accanto a ogni proprietà, così la scrittura non diventa l’ostacolo. (proposta progettuale)
• Ridurre il numero di campioni e di prove (versione base) e privilegiare la registrazione a crocette/simboli (graffia / non graffia; si rompe / non si rompe) invece di testo lungo.
• Assegnare ruoli operativi chiari (chi prova, chi pesa, chi fotografa, chi compila) per ridurre il carico cognitivo simultaneo.
• Permettere la risposta orale o la documentazione fotografica al posto della relazione scritta.

Plusdotati

• Proporre di standardizzare il protocollo: stessa sezione dei campioni, stessa altezza di caduta, misure ripetute più volte, e ragionare sul perché i risultati variano. (proposta progettuale)
• Chiedere di quantificare (carico di rottura in grammi, abbassamento in mm) e costruire un grafico.
• Estendere ai nuovi materiali: ipotizzare come si comporterebbe un materiale composito o tecnico e perché (i-nuovi-materiali).

L2

• Costruire un glossario illustrato delle proprietà (parola + immagine + gesto: graffiare, piegare, tirare, galleggiare). (proposta progettuale)
• Usare verbi d’azione concreti durante le prove e abbinarli alla proprietà (“piego → elasticità”, “tiro → trazione”).
• Lavoro a coppie con un compagno tutor per la verbalizzazione dei risultati.

Pagine collegate

• proprieta-e-classificazione-dei-materiali
• i-metalli-e-le-leghe
• il-legno
• materie-plastiche-e-gomme
• i-nuovi-materiali
• valutazione-materiali

Fonti

• Materialia (Istituto Italiano Edizioni Atlas), pp. 23, 28: definizioni di proprietà meccaniche, fisiche e tecnologiche; definizioni di durezza, resilienza/tenacità, fragilità, resistenza alla fatica; principio della prova di resilienza (mazza che cade da altezza predefinita).
• L’impianto operativo dell’attività (protocollo delle prove, scale di ordinamento, fasi, prodotti, rubrica e adattamenti) è in gran parte una proposta progettuale dell’autore: i testi consultati forniscono le definizioni e i principi delle prove, non un protocollo di laboratorio dettagliato per la scuola secondaria di primo grado.