Zilele Zăpezii – Știința fulgilor de zăpadă

Tema: Știința apei

Clasele 4 – 5 sau 6 – 8

Nu v-ați minunat niciodată în copilărie de formele superbe ale fulgilor de zăpadă? Nu v-ați întrebat niciodată cum se formează acești fulgi de zăpadă și de ce toți, deși sunt parcă unici, au parcă același gen de simetrie? O profesoară, Marisa Bradac, a avut ideea de a face din acest subiect un film atractiv* în care vorbește despre știința formării fulgilor de zăpadă, la Ted Education, un film care oferă copiilor o scurtă dar cuprinzătoare privire asupra modului în care se formează fulgii de zăpadă, făcând referiri la cunoștințe de chimie și fizică elementară.

Outside playing with snow flurries

Filmul este însoțit și de întrebări care pot fi folosite în discutarea acestei teme cu copiii din clasa voastră. Pentru copiii din ciclul elementar este un mod grozav de a introduce sau întări conceptele despre ciclul apei în natură.

* http://ed.ted.com/lessons/the-science-of-snowflakes-marusa-bradac

În plus, lecția celor de la PBS LearningMedia despre Fizica Fulgilor de zăpadă** furnizează de asemenea o activitate atractivă pentru explorarea fascinantei științei care duce la formarea fulgilor de zăpadă. Am tradus pentru voi informațiile din această lecție mai jos, ca să le puteți folosi împreună cu imaginile din lecția de la ei. Distracție plăcută!

** http://wvia.pbslearningmedia.org/resource/lsps07.sci.phys.matter.snowflakes/snowflake-physics/

boy-in-snow
Fizica Fulgilor de zăpadă

Obiectivul lecției: Explorați formarea și structura moleculară a gheții și învățați cum forma tipică cu șase colțuri a fulgilor de zăpadă este datorată aranjării moleculelor de apă într-o formă cristalină hexagonală.

I. Introducere

1. Fulgii de zăpadă și cristalele de gheață, cunoștințe de bază

Fulgii de zăpadă și cristalele de gheață sunt formate din gheață. Un cristal de gheață, așa cum implică și numele, este un singur cristal de gheață. Un fulg de zăpadă este mai mult un termen general; poate însemna un singur cristal de gheață, mai multe cristale lipite la un loc, sau o mare aglomerare de cristale de gheață care formează bulgărași care plutesc în jos dinspre nori.

snowflake-6

2. Structura gheții cristaline

Moleculele de apă dintr-un cristal de gheață formează o rețea hexagonală, așa cum se vede în dreapta. Cele două structuri arată vederi diferite ale aceluiași cristal. Bilele roșii reprezintă atomii de oxigen, barele gri reprezintă multipli atomi de hidrogen. În formarea rețelei, fiecare atom de oxigen este legat de patru atomi de hidrogen – doi prin legături covalente (pentru a forma molecula de apă cu formula chimică H2O), iar două prin legătura hidrogenului (deoarece moleculele de apă sunt atrase una de alta). Simetria cu șase laturi a fulgilor de zăpadă derivă până la urmă din simetria hexagonală a rețelei cristalului de gheață.

(Asta se poate vedea bine în filmul profesoarei Marisa Brandac, n.n.)

3. Vaporii de apă

Fulgii de zăpadă nu sunt picături de ploaie înghețate. Câteodată picăturile de ploaie îngheață pe măsură ce cad, dar ele se numesc lapoviță sau măzăriche. Cristalele de gheață se formează când vaporii de apă se condensează peste particule de praf și îngheață, ceea ce se întâmplă în nori. Gheața crește pe măsură ce vaporii de apă se condensează pe suprafața ei, formând în acest proces fulgii de zăpadă. Mergeți la capitolul „Priviți cum cresc fulgii de zăpadăpentru a vedea animați formării fulgilor de zăpadă.

Filmul accelerat arată creșterea cristalelor de gheață care arată ciclul la temperatura de -15oC și –12oC. Formele plate cresc încet la –12oC, în timp ce la -15oC ramurile arborescente înmuguresc repede din colțurile cristalelor plate. Timpul total al filmului este de 70 de minute – redus aici la câteva secunde.

4. Cel mai simplu fulg de zăpadăsnowflake-2

Forma cea mai simplă a unui cristal de gheață este o prismă hexagonală. Această structură apare deoarece suprafața fațetată a cristalului acumulează material foarte lent.

O prismă hexagonală include două fațete de bază hexagonale și șase fațete rectangulare prismatice, așa cum se poate vedea în figura din dreapta. Notați că o prismă hexagonală poate fi mai plată sau columnară, depinzând de care din fațete crește mai repede.

Când cristalele de zăpadă sunt foarte mici, ele au în general forma unor prisme hexagonale simple. Dar pe măsură ce cresc, se dezvoltă ramuri din colțurile prismei pentru a da naștere la forme mai complexe.

5. Diagrama morfologică

Oamenii de știință au crescut cristale de gheață în laborator în condiții controlate și au descoperit că forma lor depinde de temperatură și umiditate, așa cum este arătat sumar în diagrama morfologică din dreapta.

II. Nu sunt două la fel

Se spune deseori că nici un fulg de zăpadă nu este la fel ca altul. La prima vedere, este o declarație falsă – este posibil statistic ca minusculele cristale de gheață să poată fi identice. Cu toate acestea, fulgii de zăpadă sunt mult mai complecși – un singur fulg de zăpadă poate avea sute de forme diferite – și este extrem de improbabil ca doi fulgi complecși de zăpadă să arate exact la fel. În plus, deoarece și un fulg mic de zăpadă este făcut din sute de milioane de molecule de apă, este mai sigur să spui că nu există doi fulgi de zăpadă identici la nivel molecular.

snow-2

III. Tipuri de fulgi de zăpadă

Tabla de mai jos arată tipurile comune distinctive de fulgi de zăpadă. Click pe fiecare opțiune pentru mai multe informații despre fiecare tip.

Prisme simple

O prismă hexagonală este cel mai simplu cristal de zăpadă. Depinzând de cât de repede cresc fațetele, prismele cristalelor de zăpadă pot apare ca hexagoane plate, coloane hexagonale subțiri (cum sunt creioanele), sau ceva între. Prismele simple sunt atât de mici încât abia pot fi văzute cu ochiul liber.

Exemplele de mai jos arată două prisme butucănoase și una plată și subțire. Fațetele cristalelor de gheață sunt rareori perfect plate; de obicei ele sunt decorate cu variate șanțuri, coame sau alte forme.

snowflake-3Stele plate

Acești fulgi de zăpadă obișnuiți sunt subțiri, cristale plate cu șase brațe care formează o stea. Fețele lor sunt deseori decorate cu marcaje simetrice.

Fulgii plați se formează când temperatura este apropiată de -2oC sau de -15oC, așa cum se poate vedea pe diagrama morfologică de mai devreme.

Ramificații stelare (dendritice)

snowflake-4Dendritic înseamnă „ca arborii”, iar ramificațiile stelare sunt ca și stelele plate care au ramuri și ramificații laterale. Ramificațiile stelare sunt un tip foarte popular de cristale de zăpadă, și pot fi văzute în multe decorații de sărbători.

Coloane scobite

Coloanele hexagonale formează deseori adâncituri conice la capete și astfel de forme sunt denumite coloane scobite. Aceste cristale sunt mici și ai nevoie de o lupă mare sau un microscop bun ca să poți vedea scobiturile.

Notați că cele două regiuni scobite sunt simetrice la fiecare coloană. Câteodată la capăt crește gheață peste scobitură și închide în cristal o pereche de bule alungite, așa cum se poate vedea în fotografia din dreapta.

microscope-closeup

Acele

Acele sunt cristale de gheață în formă de coloane subțiri care se formează când temperatura este în jur de -5oC. Ele arată ca niște bucățele mici de păr alb.

Unul din lucrurile uimitoare despre cristalele de zăpadă este că, crescând, ele se schimbă din stele plate, subțiri în ace subțiri când temperatura se schimbă doar cu câteva grade. De ce se întâmplă asta, rămâne încă un mister pentru știință.

snowflake-closeup-alexey-kljatov-14

Coloane acoperite

Aceste cristale cresc întâi ca niște coloane groase, apoi înfloresc într-o zonă de nori unde creșterea lor devine ca a stelelor plate. Rezultatul sunt două cristale plate subțiri crescând la capetele unei coloane de gheață.

Imaginea din partea dreaptă arată trei vederi ale unei coloane acoperite. Prima este o vedere din lateral, care arată coloana centrală și cele două capete plate. Celelalte două vederi arată același cristal văzut dintr-un capăt, cu microscopul centrat separat pe cele două capete, care sunt diferite ca dimensiuni și model.

snowflake-1Cristale triunghiulare

Fulgii plați cresc uneori în triunghiuri trunchiate când temperatura este apropiată de 2oC. Dacă colțurile cristalului plat cresc ramificații, rezultatul este o versiune ciudată a stelelor plate. Aceste cristale sunt relativ rare.

Nimeni nu știe de ce aceste cristale cresc în forme triunghiulare simetrice. (notați, cu toate acestea, că structura moleculară a cristalelor triunghiulare nu este diferită de ce a cristalelor hexagonale. Unghiurile fațetelor sunt toate la fel.)

winterberrysnowflakemacro2Rozete de gloanțe

Formarea germenilor de cristalizare a unui sâmbure de gheață produce uneori multe cristale care cresc împreună și au orientări diferite. Când diferitele bucăți cresc în coloane, rezultatul este denumit cristal în formă de rozetă de gloanțe.

Câteodată a astfel de rozetă poate deveni o rozetă acoperită, așa cum se poate vedea în fotografia din dreapta.

Cristale neregulate

Cele mai obișnuite cristale de zăpadă sunt de departe cristalele neregulate. Acestea sunt mici, de obicei sunt îngrămădite împreună și arată prea puțin din simetria cristalelor stelare sau coloanelor.

Zăpada artificială

Mașinile de zăpadă aruncă un amestec de apă și aer comprimat prin ajutaje mari. Apa iese afară în picături mici iar aerul se răcește când este decomprimat, făcând picăturile de apă să înghețe. Un ventilator aruncă particulele de gheață pe pante. Puteți vedea din fotografia din dreapta că zăpada artificială este formată din picături de apă înghețată, fără nici una din structurile elaborate pe care le puteți vedea la cristalele de zăpadă.

Iată și alte filme cu creșterea fulgilor de zăpadă:

http://www.snowcrystals.com/growing/I1007r2p-480w.mp4 http://www.snowcrystals.com/growing/I1007r2-480w.mp4

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s