Per strada
La matematica per i movimenti e i mezzi di trasporto
Scheda 1
Da casa a scuola
0. Introduzione
1. Scale, distanze, direzioni, spostamenti
2. Uso delle coordinate
3. Esercizi
Sintesi
0. Introduzione
In
questa unità didattica prenderemo in considerazione la matematica che
serve per descrivere e studiare i movimenti. Considereremo sia gli spostamenti
lungo percorsi stradali, sia i movimenti che vengono generati o trasformati da
un mezzo di trasporto.
Vedremo,
anche, come la matematica ci possa permettere di collegare questi aspetti geometrici
a problemi importanti per usare consapevolmente un
mezzo di trasporto, come quello del comportamento da tenere al variare della
pendenza della strada o quello della sicurezza stradale.
Alcuni aspetti
più strettamente matematici verranno man mano approfonditi nell'u.d. La
Matematica e lo Spazio.
1. Scale, distanze, direzioni, spostamenti
Partiamo da un problema familiare. Lo studente Otto Bus ogni mattina prende un autobus che lo porta dalla località in cui abita alla cittadina in cui è ubicata la scuola; poi percorre a piedi la strada dalla fermata di arrivo alla scuola. In figura 1 è riprodotta parte di una carta stradale che contiene sia la casa di Otto che la scuola.
figura 1 [clicca per ingrandire] |
| Sulla cartina è indicata la scala grafica. Misura la lunghezza (arrotondata ai millimetri) del tratto che rappresenta 250 m ed esprimi sotto forma di rapporto la scala numerica (figura → realtà), cioè il fattore di ingrandimento per passare dalle misure sulla figura alle misure reali. |
Qual è il valore numerico di questo rapporto? | scala (figura → realtà) = ... |
Un compagno di classe
di Otto abita nella località indicata con A, un altro nella
località B. Per chi, fra Otto e questi compagni, è minore la distanza
della scuola da casa?
Se intendo la distanza in senso temporale, devo rispondere: per Otto.
Infatti Otto ha la fermata dell'autobus
sotto casa mentre da A e da B occorre percorrere un bel pezzo a piedi prima di
arrivare sulla strada in cui passa l'autobus.
Se intendo la distanza lungo la strada, devo rispondere che essa è minore
per l'alunno che abita in A.
La distanza in linea
d'aria è invece minore per l'alunno che abita in B.
| Calcola la distanza in linea d'aria tra la casa di Otto e la scuola (arrotondata ai metri). |
distanza sulla figura in mm = ... | scala (figura in mm → realtà in m) = 250/ |
distanza reale in m = ... ·scala = ... ·250/ = ... |
| Calcola la distanza lungo la strada tra la fermata in cui Otto prende il bus e quella di arrivo, cioè la lunghezza del percorso dell'autobus. Ti conviene calcolare le lunghezze reali di ogni tratto rettilineo e poi sommarle o fare prima la somma delle lunghezze sulla figura e poi moltiplicare questo valore per la scala? |
Si può osservare che il solo percorso dell'autobus è maggiore della distanza in linea d'aria casa-scuola.
| Se l'autobus seguisse un percorso parzialmente diverso, svoltando a destra al primo incrocio dopo la casa di Otto (strada tratteggiata meno fittamente), secondo te percorrerebbe più o meno strada? [rispondi senza fare misure e calcoli] |
| Verifica la congettura calcolando la lunghezza di questo percorso. |
|
Si poteva verificare la congettura senza fare misure e calcoli? [aiutati con la figura 2, in cui P1-X-Y-P2 e P1-U-V-W-P2 sono i due tratti di percorso alternativi, e utilizza la proprietà che la somma delle lunghezze di due lati di un triangolo è maggiore della lunghezza del terzo] |
|||
figura 2 |
Sia che segua il solito
tragitto, sia che segua il nuovo, il bus si sposta comunque dal punto P1 (incrocio dopo la casa di
Otto) al punto P2 (incrocio prima dell'ingresso nella cittadina). Quando non si
vuole descrivere tutta la traiettoria percorsa da un oggetto in movimento ma si vuole descrivere solo come la
posizione di arrivo è cambiata rispetto a quella di partenza, si usa il
concetto di spostamento:
lo spostamento per andare da un punto P a un punto Q è caratterizzato da
due elementi:
• la direzione con cui da P si punta verso Q, | • la distanza in linea d'aria di P da Q. |
Posso porre una squadretta nella posizione 1 (figura 4), in modo che uno dei due lati che formano l'angolo retto si sovrapponga alla freccia S1. Quindi pongo una riga nella posizione 2 (al posto della riga si può usare un'altra squadra) e faccio scorrere la squadra, fino ad arrivare alla posizione 3. Il lato della squadra che era sovrapposto a S1 durante il movimento ha mantenuto la stessa inclinazione, per cui ora mi consente di individuare la direzione di S1. Come si vede meglio nell'ingrandimento, una freccia passante per il centro del cerchio graduato e diretta come S1 passa per la terza divisione in cui è suddiviso il settore che va da E a N.
figura 4 | |
Le tacche sono distanziate di 15° l'una dall'altra (infatti da E a N vi sono 6 divisioni). Quindi la direzione è compresa tra 30°E→N e 45° E→N; posso approssimarla meglio dicendo che è circa 35° E→N (direzione ruotata di circa 35° verso nord rispetto alla direzione est).
| Trova la direzione dello spostamento S2 (lavora su fig. 1 usando una riga e una squadra o due squadre; al posto di una squadra puoi impiegare un libro o un altro oggetto con due spigoli consecutivi perpendicolari). |
| In figura 5 sono tracciati i punti P1 e P2 e una freccia che rappresenta lo spostamento S che porta da P1 a P2. Traccia i punti Q2, T2 e V2 in cui si arriva partendo da Q1, T1, V1 e "applicando" lo spostamento S (cioè effettuando cambiamenti di posizioni descrivibili con frecce uguali in lunghezza e in direzione a quella che va da P1 a P2). |
figura 5
2. Uso delle coordinate
Come possiamo descrivere lo spostamento complessivo, dalla fermata del bus all'ingresso della scuola?
In prima battuta
possiamo osservare che Otto si sposta dal riquadro E1 al riquadro A4,
cioè di circa 3 riquadri a destra e 4 in alto, cioè di circa 150
m a destra e 200 m in alto.
Per essere più
precisi invece che alle coordinate del tipo A1, B2, …, ci possiamo
riferire a coordinate numeriche (→ numeri scritti a tratteggio nella figura 7):
Otto è partito circa dal punto (25,30), cioè 25 m a destra rispetto al
bordo sinistro della cartina e 30 m in alto rispetto al bordo inferiore.
| Come puoi descrivere il punto finale di arrivo di Otto? E come lo spostamento fermata-scuola? |
Abbiamo, dunque, visto che uno spostamento può essere descritto sia con la
coppia di informazioni:
direzione, distanza
sia con la coppia di informazioni:
variazione della coordinata orizzontale, variazione
della coordinata verticale.
Nel caso dello spostamento fermata-scuola abbiamo (→ figura 8 a sinistra):
variazione della coordinata orizzontale = 170, variazione della coordinata verticale = 180.
figura 8 |
| Come descriveresti lo spostamento opposto, scuola-fermata? |
| Qual è la distanza "lungo la strada" della scuola dalla fermata del bus? E quella della fermata del bus dalla scuola? |
Non vi sono traiettorie
più brevi per raggiungere la scuola di quella seguita da Otto,
cioè della traiettoria E1-E2-D2-D3-A3-A4 (abbiamo indicato, oltre ai
riquadri iniziale e finale, quelli in cui avvengono le svolte). Tuttavia,
poiché le strade della cittadina si incontrano perpendicolarmente,
formando un reticolato, vi sono altri percorsi brevi come quello scelto da
Otto:
Dunque, se le strade sono parallele ai bordi, abbiamo:
(2.1) distanza lungo la strada = |variaz. della coord. orizzontale| + |variaz. della coord. verticale|
Se
vogliamo conoscere la distanza "in linea d'aria" fermata-scuola e non disponiamo di una riga, come
possiamo procedere?
Possiamo, ad esempio,
disporre una striscia di carta lungo lo spostamento fermata-scuola, e, con una
matita o con delle piegature, segnare su di essa la posizione della fermata del
bus e quella dell'ingresso della scuola. Spostando la striscia lungo uno dei
bordi possiamo poi individuare la corrispondente distanza in metri.
| Opera in questo modo in figura 7, sulla riproduzione della cartina. Quale valore (arrotondato alle decine di metri) trovi? |
| Qualcuno di voi sa escogitare un modo per trovare questa distanza senza operazioni di tal genere, ma servendosi delle sole coordinate della fermata del bus e dell'ingresso della scuola? [osservate la figura a fianco] |
| Trova con questo metodo la distanza in linea d'aria (arrotondata alle decine si metri) e confrontala con il valore trovato con il quesito 13. |
variazione della coordinata orizzontale = 170 variazione della coordinata verticale = 180 somma dei due quadrati = … |
suo quadrato = … suo quadrato = … radice quadrata di tale somma = … |
| Scrivi una sequenza di tasti che ti permetta di calcolare con una CT tale distanza (a partire dai dati 170 e 180) senza annotare sulla carta risultati intermedi. |
La proprietà
che abbiamo impiegato, cioè il teorema di Pitagora (2.2) ipotenusa2 = cateto12 + cateto22 ovvero: (2.3) ipotenusa = √(cateto12 + cateto22) dove con ipotenusa, cateto1 e cateto2 abbiamo indicato le misure delle lunghezze dell'ipotenusa e dei due cateti in una fissata unità di misura. | figura 9 |
Il quesito 15 ci
conferma la validità di questa proprietà: la misura diretta della
distanza in linea d'aria (ipotenusa) è uguale a quella che si ottiene
utilizzando (2.3).
Non è, tuttavia,
una conferma definitiva: abbiamo considerato non misure "esatte", ma
misure approssimate alle decine di metri; poi abbiamo verificato la
proprietà solo in un caso particolare. Comunque tutte le verifiche
sperimentali su figure a forma di triangolo rettangolo disposte su "piccole" superfici piane
hanno sempre confermato questa relazione.
Nel quesito e3 è presentato un
ragionamento che dimostra in generale questa proprietà (la parola teorema
indica, appunto, che questa proprietà
può essere dimostrata).
|
Sotto è raffigurato un triangolo rettangolo e tre righe millimetrate disposte
lungo i suoi lati. Con le righe troviamo che le misure (in mm) dei cateti
cadono negli intervalli di indeterminazione [53, 54] e [30, 31]. (a) Usando (2.3) trova l'intervallo di indeterminazione in cui cade l'ipotenusa. (b) Verifica se c'è contraddizione tra l'intervallo così trovato e quello che si ottiene misurando direttamente l'ipotenusa. |
53 ≤ cateto1 ≤ 54 2809 ≤ cateto12 ≤ 2916 ≤ cateto2 ≤ ≤ cateto22 ≤ Con il teorema di Pitagora: √(2809 + ) ≤ ipotenusa ≤ √(2916 + ) ≤ ipotenusa ≤ Con la misura diretta: ≤ ipotenusa ≤ |
4. Esercizi
|
Nella figura a lato sono raffigurati tre spostamenti a, b e c. − Traccia una freccia che rappresenti lo spostamento complessivo che si ottiene componendo ordinatamente questi tre spostamenti. − Come potresti descrivere numericamente questo spostamento? − Prova a comporre a, b, c in ordine diverso e raffigura lo spostamento complessivo. − Come potresti calcolare lo spostamento complessivo senza fare disegni? − Potevi concludere che lo spostamento complessivo è immutato ragionando solo sulla descrizione numerica dei tre spostamenti? |
|
Calcola
con una riga millimetrata la distanza tra le posizioni che corrispondono al
vertice in alto a sinistra e al vertice in basso a destra della cartina dell'esercizio
precedente (procedi come nel quesito 2; ma, attento, la scala di questa cartina
è diversa!). Confronta questo valore con quello che puoi ottenere (con una CT) procedendo come nel quesito 15. |
| Nel disegno (1) seguente è rappresentato il pavimento di una stanza. È di forma quadrata e comprende due preziose lastre di marmo scuro di uguali dimensioni disposte come in figura. Il nuovo proprietario dell'appartamento vuole rifare il pavimento cercando di riutilizzare le due lastre. Fa allora qualche schizzo − disegni (2)-(5) − per studiare la possibilità di disporre al centro della stanza un quadrato di marmo chiaro facendo meno tagli possibile sulle due lastre. |
La
parte di pavimento non occupata dal marmo scuro è composta da due quadrati. Nella nuova
configurazione assume la forma di un unico quadrato ma, naturalmente, non cambia estensione
(sto ragionando su piccole superfici, rappresentabili con le usuali coordinate, in cui ho supposto che esistano i quadrati; sulla
superficie terrestre in realtà ciò non accade, come ricorda la figura sopra a destra, in cui è rappresentato un triangolo con i lati eguali e tutti gli
angoli retti - su ciò ci soffermiamo in una prossima scheda).
Perché il proprietario dell'appartamento, con questo ragionamento, ha fatto anche una
"dimostrazione" del teorema di Pitagora (→ disegno a sinistra)?
Traccia. Indica con a e b le misure dei lati dei due quadrati iniziali. Lo spazio per il marmo bianco ha quindi estensione a2+b2. Indica con c la misura del lato del quadrato che questo spazio assume nella configurazione finale, lato che è anche l'ipotenusa di un triangolo rettangolo di cateti a e b. L'estensione di questo quadrato è uguale a ... Perciò a2+b2 = ... |
| Redigi due sequenze di istruzioni per generare con R le figure a fianco. | OOOOOOOOOO O O O OO O O O O O O O O O O O O OOOOOOOOOO OOOOOO |
| Redigi due sequenze di istruzioni per generare con R le figure a fianco. | OOOOOOOOOO OOOOOO OOOOOOOOOO OOOOO OOOOOOOOOO OOOO OOOOOOOOOO OOO OOOOOOOOOO OO O |
| (approfondimenti)
I movimenti lungo il pavimento dei robot impiegati in una particolare
fabbrica sono programmabili in una opportuna estensione di R che
contiene le istruzioni: AV(NuMetri) e RO(NuGradi) dove NuMetri deve essere un numero non negativo e NuGradi un numero qualunque. L'azione comandata dalla prima istruzione è l'avanzamento di NuMetri metri. Quella comandata dalla seconda è la rotazione su se stesso di NuGradi gradi (la rotazione è in senso antiorario, cioè verso sinistra, se NuGradi > 0, in senso orario altrimenti). Sulla figura a fianco sono rappresentate la posizione e la direzione iniziali di un robot. I quadretti hanno lato di 1 m. |
Traccia le traiettorie che il robot compirebbe se fosse programmato nei seguenti modi: |
(1) for(i in 1:4) {AV(6); RO(90)} (2) for(i in 1:8) {AV(7); RO(45)} |
| Considera il programma in R bohA.htm a cui puoi accedere cliccando. Cerca di prevedere che cosa appare sullo schermo alla fine dell'esecuzione. Verifica, poi, la tua previsione mandando in esecuzione il programma. |
| Considera i due programmi in R bohB.htm e bohC.htm a cui puoi accedere cliccando. Cerca di prevedere che cosa appare sullo schermo alla fine dell'esecuzione di ciascuno di essi (l'opzione col imposta il colore delle uscite: vedi l'help). Verifica, poi, la tua previsione mandando in esecuzione i programmi. |
1) Segna con l'evidenziatore, nelle parti della scheda indicate, frasi e/o formule che descrivono il significato dei seguenti termini: spostamento (dopo ques.6 e dopo ques.9), teorema di Pitagora (dopo ques. 16), operatori logici (es. e4). 2) Su un foglio da "quadernone", nella prima facciata, esemplifica l'uso di ciascuno dei concetti sopra elencati mediante una frase in cui esso venga impiegato. 3) Nella seconda facciata riassumi in modo discorsivo (senza formule, come in una descrizione "al telefono") il contenuto della scheda (non fare un elenco di argomenti, ma cerca di far capire il "filo del discorso"). |