Insegnare con Rosetta e Philae Teach article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Come un grande risultato conseguito dall’Agenzia Spaziale Europea può trasformarsi in una occasione di ispirazione per I vostri studenti.

Il 12 Novembre 2014, dopo aver viaggiato per 10 anni nello spazio, il piccolo robot Philae ha abbandonato la navicella spaziale Rosetta per atterrare sulla cometa comet 67P / Churyumov-Gerasimenko (67P). Questo evento è stato il primo nella storia nel quale una spedizione sia atterrata con successo su una cometa.

L’avventuroso atterraggio di Philae sulla cometa 67P può essere utilizzato per studiare le Leggi di Newton, e gli studenti potranno utilizzare dei dati reali per la determinazione dell’accelerazione di gravità esistente sulla cometa. Ho sviluppato questo progetto per gli studenti di età tra i 15-18 anni, che hanno già affrontato lo studio della prima e della seconda legge del moto di Newton eche abbiano capito la teoria della caduta dei gravi. Avrete bisogno di circa tre lezioni da un ora. Nella prima ora introdurrete il problema e domandere agli studenti di cercare delle informazioni utili in rete. Nella seconda ora, gli studenti potranno impiegarla per determinare l’accelerazione di gravità esistente sulla cometa utilizzando le leggi della fisica che hanno imparato e che conoscono. Nella terza lezione gli studenti utilizzeranno delle simulazioni per determinare l’accelerazione di gravità sulla cometa. Alla fine confronteranno idati ottenuti attraverso i due metodi.

Ora 1: Introduzione e reperimento dati

1. Mostrare agli studenti il breve video dell’ ESA^w1, dopo di cui presenterete l’ultima impresa di Rosetta e Philae utilizzando immagini e video presenti sul sito dell’ ESA’s^w2,w3. Domandate ai vostri studenti di spiegare perchè ritengono che questa spedizione è così importante e cosa l’ESA vuole scoprire sulle comete.
2. Presentate la simulazione video^w4 che mostra il mal funzionamento di due dei suoi arpioni di ancoraggio per cui è rimbalzata un paio di volte prima di raggiungere la sua destinazione finale sulla cometa 67P. Questi due rimbalzi si riveleranno importanti per lavorare sulla costante di gravità della cometa.
3. Organizzate la classe in gruppi e domandate loro di cercare sul web informazioni della massa di Philae, la sua velocità di discesa e l’altezza e la durata dei due rimbalzi. I vostri studenti troveranno che Philae ha lasciato Rosetta ad una altezza di 22,5 km dalla superficie di 67P. Philae ha raggiunto la 67P con una velocità (v) di 1 m s^-1 e quindi è rimbalzato per 1 ora e 50 minuti, raggiungendo 1 km d’altezza con una velocità di 0.38 m s^-1. Il secondo rimbalzo è durato 7 minuti con una velocità iniziale di 0.03 m s^-1.

Ora 2: Lavoro con le leggi della fisica

1. Domandate ai vostri studenti di descrivere il moto di Philae mentre scende verso la cometa. E’ possibile dividere questo moto in momenti successivi? Per esempio, gli studenti potrebbero suddividere il moto in un primo momento dove Philae è in caduta libera, quindi pensare al primo rimbalzo come un moto a decelerazione costante. E quindi nuovamente un moto in caduta libera. Il secondo rimbalzo lo si puó descrivere in maniera analoga.
2. Domandate ai vostri studenti di calcolare l’accelerazione di gravitá della cometa attraverso i dati che essi hanno trovato nella precedente ora di lezione. Se gli studenti utilizzano l’equazione  v = v₀ – gt assumendo  una decelerazione costante di costante g (un campo di gravitá omogeneo) allora quando v=0, v₀ = 0.38 m s^-1 e t = 55 minuti (questo é il tempo di durata totale di 110 min diviso due), l’accelerazione di gravitá della cometa sará circa  di  10^-4 m s^-2.
3. Domandate ai vostri studenti di effettuare gli stessi calcoli utilizzando i dati del secondo rimbalzo di Philae. I loro risultati dovrebbero essere dello stesso ordine di grandezza ma non esattamente gli stessi valori poiché la cometa ha una forma irregolare e il suo campo di gravitazione non é omogeneo (Sierks et al., 2015).
4. Infine, domandate a vostri studenti che cosa sarebbe successo a Philae se fosse caduta sulla Terra invece che sulla cometa. Quanto sarebbe durato il tempo totale del rimbalzo?

Ora 3: Simulazione della caduta

Il passo successivo richiede un software di simulazione di fisica come Interactive Physics (IP), che per le scuole della Grecia é  gratuito (ma non per le scuole in Italia). Se non siete in grado di procurarvi questo software che non é libero nel vostro paese, potrete utilizzare in alternativa Step^w5 . Qualsiasi tipo di software di simulazione utiliziate dovreste supporre che i vostri studenti lo conoscano e siano pratici nel suo utilizzo. Se non lo fossero, ritagliate una ora di lezione affinché possano, col vostro aiuto, imparare ad utilizzarlo.

1. Domandate ai vostri studenti di utilizzare il software per simulare l’atterraggio di Philae. Avranno bisogno di un piccolo oggetto con il quale simulare Philae e uno piú grande per il ruolo della cometa. Potranno sbizzarrirsi con forme e dimensioni e masse di entrambe gli oggetti.
2. Gli studenti potranno iniziare a considerare come cometa una sfera di raggio 1 km (la dimensione piú grande della cometa é 4 km).
3. Domandate ai vostri studenti di realizzare una simulazione in un campo gravitazionale omogeneo con g = 9.81 m s^-2 esattamente come quello terrestre.
4. Consigliate ai vostri studenti di ridurre il valore dell’accelerazione dovuta alla gravitá e di rifare la simulazione con questo valore.
5. Gli studenti potrebbero continuare le simulazioni dopo aver modificato alcune variabili. Potrebbero usare anche la massa reale di Philae e di 67P ed anche le reali dimensioni della cometa.
6. Nella fase finale, gli studenti dovrebbero deattivare il campo di gravitá omogeneo e attivare una interazione planetaria tra i due oggetti. La forza che si esercita su Philae puó essere calcolata col valore di 0.066 N dalla superficie della cometa, risultando cosí un’accelerazione di gravitá di 6.6 10^-4 m s^-2, dato che la massa di Philae è 100 kg. Questo valore dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza del risultato ottenuto con il precedente metodo ed anche molto vicino alla realtá^w6.

Nella mia esperienza, gli studenti hanno manifestato sempre entusiasmo per questo progetto: due metodi completamente differenti che forniscono simili risposte che coincidono. I risultati sono altresì molto vicini alla valori reali dell’accelerazione di gravitá. Gli studenti lavorano imitando i ricercatori, trovando i dati necessari da siti affidabili e verificano i parametri del problema per ricavrne l’accelerazione di gravitá esistente sulla cometa 67P applicando la teoria e le simulazioni. La scienza spaziale é molto affascinante ma sfortunatamente non é inserita nei curricola di fisica nei licei della Grecia (per etá compresa tra 15-18). Questo progetto ha rappresentato una opportunitá per conoscere le importanti conquiste dell’Esa mentre si ci trova immersi nel normale programma. Gli studenti utilizzano la prima e la seconda Legge di Newton e quindi la legge sulla caduta dei gravi prima di utilizzare i dati della spedizione di Rosetta, e piú specificatamente la traiettoria seguita da Philae, per dimostrare un esempio di fisica con le equazioni del moto applicate alla vita reale. Gli studenti potranno sfruttare le loro conoscenze diICT per realizzare le simulazioni. In generale, questo problema pone delle sfide ed é di ispirazione per gli studenti.

E’ possibile ridurre le tre ore di lezione a due se non aveste sufficiente tempo. Per esempio, potrete saltare la sezione dove gli studenti fanno le ricerche sul web e fornire a loro direttamente i dati per la simulazione. Potrete anche modificare il progetto in modo da utilizzarlo con studenti di etá tra i 12-14 anni, per esempio dedicando piú tempo all’introduzione e saltando le simulazioni.

Riconoscimenti

Una parte di questo articolo comprendente il nucleo principale in un contesto educativo che io ho sottoposto al concorso Discovery Space Contest nel 2014-2015 per il miglior contesto educativo. Il mio scenario ha ricevuto il pan-European prize^w7.

References

• Sierks H et al. (2015) On the nucleus structure and activity of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Science 347: aaa1044. doi:10.1126/science.aaa1044

Web References

• w1 – Per vedere Ambition, un breve video dell’ESA: https://youtu.be/H08tGjXNHO4
• w2 – Per ulteriori informazioni sulla missione Rosetta, visitate il sito web dell’ESA dedicato a Rosetta: http://rosetta.esa.int
• w3 – Ulteriori informazioni su Rosetta e Philae si possono trovare nel sito educational dell’ESA: www.esa.int/education
• w4 – Per vedere un breve video della simulazione dei due rimbalzi di Philae prima di atterrare su 67P, collegarsi a: https://youtu.be/bpAH3DtRBjo
  • Dettagliate informazioni sulla missione Rosetta si possono trovare su Quora, un forum su domande -e- risposte. Vedere: http://tinyurl.com/h9f7sf2
• w5 – Il programma Interactive Physics é gratuito in Grecia. Se non lo fosse nel vostro paese potrete acquistarlo presso https://www.design-simulation.com/IP/index.php
  • Per ottenere il software gratuito Step di simulazione di fisica e la documentazione relativa, vitate: https://userbase.kde.org/Step
• w6 – Per notizie giornalistiche sul successo della discesa di Philae sulla cometa 67P potete consultare: http://tinyurl.com/hgya3ex
• w7 – Il Concorso Open Discovery Space Contest 2014–2015 ha visto lo sviluppo di scenari educativi innovativi, apportato nuove conoscenze e ha creato l’attenzione presso la comunitá educativa. Per maggiori informazioni sul concorso e isuoi partecipanti, leggere: http://issuu.com/signosis/docs/ods-contest-brochure

Resources

• Una versione di questo articolo che tratta gli stessi argomenti, ma che non é una diretta traduzione, é stata pubblicata nella rivista in lingua Greca Φυσικές Επιστήμες στην Εκπαίδευση (Physical Sciences in Education). Per maggiori informazioni vedere: http://physcool.web.auth.gr/ o utilizzate il link diretto: http://tinyurl.com/z8ljedw

Institutions

Author(s)

Maria Eleftheriou é una insegnante di scienze presso il liceo di Tzermiadon, Lassithi Plateau, Crete, Greece. Un fisico con un master in fisica della materia condensata e un PhD in fisica operazionale, ella sta cercando di portare la ricerca reale nell’ambito scolastico.

Review

L’esplorazione spaziale é un argomento molto intressante e questo articolo si può usare in molti modi differenti. Per esempio, l’orbita e la periodicitá di 67P può essere materia di studio dell’evoluzione delle conoscenze dell’uomo sul moto degli oggetti spaziali, da Keplero e Galileo a Newton e Halley.

L’articolo può essere utilizzato come ulteriore approfondimento sul concetto di velocitá di fuga e come discussione sulle enormi distanze dei viaggi spaziali, e le conseguenti difficoltá associate ai viaggi spaziali con uomini a bordo, e infine, il nostro posto nell’Universo e la nostra solitudine nello spazio – argomenti che ben oltre le scienze.

Duarte Nuno Januário, Portogallo

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