Attività: costruire un modello di ponte di carta

Un ponte è il banco di prova più immediato dei concetti di struttura. Come scrive Technologica (Romiti, DeA Scuola), “i ponti, soggetti a carichi e a sollecitazioni intense, sono costruiti in materiali con ottime proprietà meccaniche” (p. 33). Questa attività rovescia la prospettiva: invece di un materiale resistente, dà agli studenti il materiale più povero che ci sia — la carta — e chiede loro di sfruttarne la forma per reggere un carico. È qui che il concetto astratto di sollecitazione diventa esperienza concreta.

L’idea didattica è semplice e potente: un foglio di carta steso fra due appoggi non regge quasi nulla e si flette subito verso il basso; lo stesso foglio piegato a fisarmonica, arrotolato a tubo o sagomato ad arco regge molte volte di più. Il materiale è identico, cambia solo la geometria. L’attività rende tangibile il legame tra forma strutturale e resistenza alle sollecitazioni (strutture-portanti-e-sollecitazioni, ponti-tipologie-e-forze).

L’impianto dell’attività (fasi, protocollo di prova, scansione in livelli) è una (proposta progettuale): i testi forniscono i concetti strutturali e l’esempio del ponte, non un protocollo di laboratorio dettagliato.

Target

• Classi prime/seconde della scuola secondaria di primo grado, all’interno del modulo su materiali, proprietà meccaniche e strutture. (proposta progettuale)
• Si presta sia a un primo approccio guidato (un solo tipo di trave) sia a un confronto sistematico tra geometrie diverse e a una vera sfida progettuale a squadre.

Durata

• Versione base (una trave di carta che regge un carico): 2 ore, una lezione. (proposta progettuale)
• Versione intermedia (confronto tra forme diverse, con misura del carico): 3-4 ore. (proposta progettuale)
• Versione avanzata (sfida a squadre: il ponte più resistente a parità di carta, con relazione): 4-5 ore. (proposta progettuale)

Materiali

Tutto materiale povero e a basso costo (proposta progettuale):

• fogli di carta A4 (stessa grammatura per tutti i gruppi, per confrontare a parità di materiale);
• nastro adesivo o colla stick (in quantità limitata e uguale per tutti);
• forbici;
• due appoggi della stessa altezza per fare da “spalle” del ponte: due libri impilati, due banchi affiancati, ecc.;
• un righello per misurare la luce (la distanza tra gli appoggi) e l’abbassamento della trave;
• carico di prova standardizzato: monetine uguali, bicchierini con sabbia/riso, pesi da palestra piccoli, oppure un bicchiere in cui versare acqua o pallini — qualcosa che si possa aggiungere a piccoli passi e contare/pesare;
• una bilancia da cucina, se si vuole esprimere il carico in grammi.

Prerequisiti

• Le cinque sollecitazioni meccaniche: compressione, trazione, flessione, torsione, taglio, con particolare attenzione alla flessione come “forza che fa curvare le fibre del materiale” (Technologica, p. 34). Vedi strutture-portanti-e-sollecitazioni.
• La distinzione tra carichi permanenti (peso strutturale) e carichi accidentali (persone, veicoli in transito), come descritto in Presente e futuro (Tubia, Pasquale, p. 216).
• L’idea che la struttura portante deve resistere ai carichi senza deformarsi oltre un certo limite.
• Nozione intuitiva di luce (distanza da coprire tra due appoggi). (proposta progettuale)
• Manualità di base nel piegare, tagliare e incollare la carta. (proposta progettuale)

Procedura (fasi)

La scansione in fasi è una (proposta progettuale) costruita attorno ai concetti di sollecitazione, flessione e struttura portante presenti in Technologica (pp. 33-35) e in Progettare il futuro (pp. 127-128), e all’esempio del ponte come struttura soggetta a carichi.

Fase 1 — La domanda di partenza. Si stende un singolo foglio di carta fra i due appoggi e si appoggia sopra una monetina: il foglio cede subito. Domanda alla classe: un foglio così leggero non regge nemmeno una moneta; come fanno allora i ponti di carta a reggere centinaia di grammi? Si introduce il termine flessione osservando come il foglio si incurva verso il basso. Technologica descrive esattamente questa dinamica illustrando “una trave in legno in flessione: in questo caso la forza applicata è tale da far curvare le fibre del materiale” (p. 35). Collegamento a strutture-portanti-e-sollecitazioni.

Fase 2 — Dalla forma alla resistenza. Si mostra (o si fa scoprire ai gruppi) che lo stesso foglio cambia comportamento se gli si dà una forma: piegato a fisarmonica, arrotolato a tubo, sagomato ad arco, accoppiato a doppia T. Progettare il futuro descrive come nella struttura a trilitico “la trave, invece, per effetto del carico e del proprio peso, è compressa nella parte superiore (estradosso) ed è in trazione in quella inferiore (intradosso)” e che “se la trave non ha la giusta dimensione, al centro, dove la trazione è massima, avviene la rottura” (p. 127). Il collegamento tra forma e distribuzione delle forze si ritaglia quindi su contenuto reale. Vedi arco-e-strutture-spingenti e ponti-tipologie-e-forze.

Fase 3 — Progetto su carta. Ogni gruppo disegna il proprio ponte: che forma daranno alla carta, come la fisseranno agli appoggi, dove andrà appoggiato il carico. Si fissano i vincoli uguali per tutti: stesso numero di fogli, stessa lunghezza di nastro, stessa luce da coprire. È qui che si introduce l’idea di variabile: cosa cambiamo per renderlo più resistente? (proposta progettuale)

Fase 4 — Costruzione. I gruppi costruiscono il modello rispettando i vincoli. Il ponte deve coprire la luce stabilita appoggiandosi solo sulle due spalle, senza sostegni intermedi. (proposta progettuale)

Fase 5 — Prova di carico. Si appoggia il carico di prova al centro della campata, aggiungendolo a piccoli passi (una monetina/un bicchierino alla volta). Si registra quanto carico il ponte sopporta prima di cedere e si osserva come cede (si flette, si schiaccia, si ribalta). Si misura, se possibile, di quanto si abbassa il centro prima della rottura. (protocollo di prova: proposta progettuale)

Fase 6 — Confronto e dati (versione intermedia). Si confrontano le forme provate (foglio piatto, fisarmonica, tubo, arco, doppia T…) registrando in tabella il carico massimo retto da ciascuna a parità di materiale. Si discute quale geometria rende di più e perché, riconnettendo all’idea che il foglio piatto lavora male a flessione mentre tubi e archi sfruttano meglio compressione e trazione. (proposta progettuale)

Fase 7 — Sfida progettuale (versione avanzata). Gara fra squadre: a parità di carta e nastro, vince il ponte che regge il carico maggiore (o il miglior rapporto carico/peso del ponte). Ogni squadra prepara una breve relazione: forma scelta, ipotesi, dati della prova, perché ha funzionato o no. Collegamento ai ponti reali a trave, ad arco e sospesi — Progettare il futuro li descrive a pp. 131-132 (ponti a sbalzo, ad arco, strallati, sospesi). (proposta progettuale)

Prodotto finale

Un modello di ponte in carta che copre una luce stabilita appoggiandosi su due sole spalle e che regge un carico misurabile. A corredo: il disegno di progetto e — nelle versioni intermedia e avanzata — una tabella con i carichi retti dalle diverse forme e una breve conclusione che spiega quale geometria ha funzionato meglio e perché, in termini di flessione, compressione e trazione. (la documentazione è proposta progettuale)

Valutazione

Si valutano il prodotto (il ponte e la sua tenuta), il processo di progettazione e prova, e la comprensione del legame tra forma e sollecitazioni. (rubrica: proposta progettuale — da validare; vedi valutazione-edilizia-citta)

Criterio	Iniziale	Base	Intermedio	Avanzato
Progettazione del modello	Disegna il ponte solo con aiuto costante	Realizza un progetto essenziale rispettando la luce richiesta	Progetta autonomamente scegliendo una forma resistente e rispettando i vincoli	Motiva la scelta della forma in funzione delle sollecitazioni e ottimizza l’uso del materiale
Costruzione	Il modello non sta in piedi o non copre la luce	Il modello copre la luce ma è poco curato	Il modello è ben costruito e stabile sugli appoggi	Il modello è preciso, leggero e sfrutta al meglio la geometria scelta
Prova di carico e dati	Non esegue o non registra la prova	Esegue la prova e osserva se il ponte regge	Esegue la prova, misura il carico e confronta forme diverse	Misura, confronta i dati e ne trae conclusioni motivate sul rapporto forma/resistenza
Comprensione di forma e sollecitazioni	Usa i termini in modo impreciso	Riconosce che il foglio piatto si flette e cede	Spiega perché tubo/arco/fisarmonica reggono più del foglio piatto	Collega il modello ai ponti reali (trave, arco, sospeso) e alle sollecitazioni in gioco

Adattamenti inclusivi

(sezione in larga parte proposta progettuale; vedi anche inclusione-edilizia-citta)

BES/DSA

• Fornire una dima o pieghe già segnate per una delle forme (es. la fisarmonica), riducendo il carico di pianificazione manuale.
• Lavorare in coppia con ruoli definiti e a rotazione (chi costruisce, chi aggiunge il carico, chi conta/annota).
• Sostituire la tabella scritta con una griglia a icone o con foto/video delle prove.
• Valorizzare la dimensione concreta e di gioco: vedere il proprio ponte reggere il carico dà un riscontro immediato e gratificante, indipendente dall’abilità verbale.

Plusdotati

• Proporre subito la sfida a squadre con il vincolo del miglior rapporto carico/peso del ponte.
• Far indagare in modo sistematico l’effetto di una sola variabile alla volta (numero di pieghe, diametro dei tubi, altezza dell’arco) tenendo un quaderno di laboratorio.
• Collegare alle tipologie di ponte reali (trave, ad arco, sospeso, strallato) e far progettare un modello che imiti uno schema strutturale specifico, a partire dalla classificazione presente in Progettare il futuro pp. 131-132. Vedi ponti-tipologie-e-forze.

L2

• Affiancare un glossario visivo dei termini chiave (carico, luce, trave, arco, flessione, compressione, trazione) con immagine + parola.
• Puntare sull’attività manuale e sulla prova, che riducono la dipendenza dalla lingua e consentono piena partecipazione.
• Usare il ponte come ponte interculturale: ponti famosi dei Paesi di provenienza degli studenti come aggancio motivazionale e linguistico.

Pagine collegate

• strutture-portanti-e-sollecitazioni
• ponti-tipologie-e-forze
• arco-e-strutture-spingenti
• materiali-da-costruzione-e-cemento-armato
• uda-edilizia-citta-sostenibile
• valutazione-edilizia-citta

Fonti

• Technologica, C. Romiti (DeA Scuola / De Agostini, ISBN 9788851128050 Volume-A): pp. 33-35 — le cinque sollecitazioni meccaniche (compressione, trazione, flessione, torsione, taglio); la flessione come forza che fa curvare le fibre; “i ponti, soggetti a carichi e a sollecitazioni intense, sono costruiti in materiali con ottime proprietà meccaniche”; esempio della trave in legno in flessione.
• Progettare il futuro, A. Conti (Mondadori Education, ISBN 9788829861521): pp. 127-128 — sistema trilitico, trave soggetta a compressione (estradosso) e trazione (intradosso), rottura al centro dove la trazione è massima; sistema ad arco, conci soggetti solo a compressione; pp. 131-132 — tipologie di ponti fissi (travatura reticolare, sbalzo, ad arco, strallato, sospeso), definizione di impalcato, travata, piloni, spalle, fondazioni.
• Presente e futuro Tecnologia, A. Tubia, S. Pasquale (RCS, ISBN 9788891561633): pp. 214-216 — strutture portanti elementari (trilite, telaio, capriata, arco), carichi permanenti e accidentali, sollecitazioni.
• L’attività in sé — la prova di carico su un ponte di carta, la scansione in fasi, il protocollo di misura, la rubrica e gli adattamenti inclusivi — è in larga parte (proposta progettuale) da validare: i testi forniscono i concetti di sollecitazione/flessione e l’esempio del ponte, non un protocollo di laboratorio dettagliato.