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Quarantadue fenomeni quotidiani spiegati dalla Fisica

lunedì, Aprile 2, 2018
Quarantadue fenomeni quotidiani spiegati dalla Fisica

Se vi ricordate tempo fa, scoprimmo insieme il fascino della fisica contemporanea , compiendo un viaggio affascinante attraverso una lettura semplice e curiosa. Possiamo ritenerci pronti dunque a compiere un passo ulteriore, avvalendoci come sempre del nostro desiderio di conoscenza.

J.-M. Courty – E. Kierlik nel libro: Vai con la fisica!Elettricità, fluidi, acustica e magnetismo: 42 fenomeni curiosi senza più segreti – traduzione di Valeria Lucia Gili(Edizioni Dedalo), ci aiutano a scoprire quale processo si nasconda in realtà, dietro ad alcuni fenomeni  quotidiani selezionati.

Cosa hanno in comune il suono prodotto da una bottiglia e le melodie generate da strutture architettoniche periodiche come la scalinata del monte Maoshan in Cina? Siete curiosi di scoprire come si può sfruttare l’elettricità per ripulire lo spazio dai detriti? O come fanno le lumache ad avanzare a testa in giù? O, ancora, come funzionano gli aliscafi che si sollevano sulla superficie dell’acqua? E allora… Vai con la fisica!
In 42 brevi capitoli, caratterizzati da uno stile chiaro e rigoroso e illustrati da Bruno Vacaro, gli autori spiegano in dettaglio bizzarri fenomeni del quotidiano, alternandoli a risultati cruciali per la scienza. Il loro obiettivo è «introdurre le leggi della fisica attraverso temi differenti e interdisciplinari, presentare i progressi della ricerca e rivisitare i grandi classici della divulgazione».
Impareremo quali sono i trucchi adottati dalle automobili di For­mula 1 per migliorare le loro prestazioni, come sfruttare l’elettrici­tà per gustare patatine fritte più fragranti, ma anche perché gli uccellini appollaiati sui cavi dell’alta tensione non prendono la scossa e perché un gatto atterra sempre sulle zampe.

A questo proposito vi proponiamo un esempio concreto e contemporaneamente curioso: nella II parte intitolata FLUIDI MOLTO SPECIALI, possiamo scoprire al capitolo 10 – La ricetta per una bella schiuma:

[…] L’uso di azoto sotto pressione anziché anidride carbonica permette di ottenere una schiuma della birra più fine e stabile.

Che sia versata in un bicchiere da uno spillatore o da una lattina, a differenza della maggior parte delle altre birre, la stout irlandese Guinness produce una cascata di bollicine in discesa e un cappello bianco e molto cremoso. Perché queste particolarità? Bisogna innanzitutto sapere che la spina per spillare la Guinness funziona ad azoto (N2) e non ad anidride carbonica (CO2): come vedremo, questo dettaglio è cruciale per capire come vengono prodotte le bolle, e spiegare perché le vediamo scendere lungo il vetro anziché risalire. Vedremo inoltre perché con una lattina si produce lo stesso tipo di schiuma che con uno spillatore a pressione. Alcuni dei meccanismi fisici in gioco sono stati chiariti solo di recente.
L’uso di una miscela di gas a forte tenore di azoto anziché di anidride carbonica ha diverse conseguenze. Innanzitutto, al contrario dell’anidride carbonica, l’azoto disciolto in acqua non è acido: ne risulta dunque una birra più dolce. In secondo luogo, la schiuma della birra azotata è formata da bolle molto piccole, ed è questa caratteristica a conferirle il tipico aspetto cremoso.

Bolle di azoto che si gonfiano meno
Le piccolissime dimensioni delle bolle sono dovute alla scar­sa solubilità dell’azoto in acqua. Immaginiamo che al cuore della birra si sia formata una bollicina. Che sia addizionata di anidride carbonica o di azoto, la birra è stata preparata con il gas prescelto a una pressione dell’ordine di 1,5-2 atmosfere. Nel momento in cui la bollicina si forma, la birra, appena spillata, è a pressione atmosferica. Lo stesso vale dunque per la bolla, che risale in un liquido soprasaturo di gas disciolto. Una parte di questo gas in eccesso penetrerà dunque al suo interno e la farà gonfiare. Ora, poiché la solubilità dell’azoto è 65 volte inferiore a quella dell’anidride carbonica, nel primo caso c’è meno gas disciolto che si può liberare. Nella Guinness, pertanto, una bolla si gonfia molto meno che in altre birre.
Il fatto che le bolle siano così piccole ha una conseguenza ben nota agli appassionati: quando versiamo la Guinness, osserviamo una cascata di bolle che scendono lungo la parete di vetro anziché, come ci potremmo attendere, risalire. Per spiegare il fenomeno, un gruppo di ricercatori dell’Università di Limerick, in Irlanda, ha di recente proposto uno scenario in cui la forma del bicchiere gioca un ruolo cruciale.
Iniziamo analizzando il moto di una singola bollicina. Sotto l’effetto della spinta di Archimede, la bolla inizierà ad accelerare verso l’alto, raggiungendo rapidamente una velocità alla quale la forza che la spinge in su è compensata dalla resistenza fluidodinamica. Per bolle di diametro pari a circa un decimo di millimetro tale velocità è dell’ordine di 3 millimetri al secondo.

Scendere anziché salire
Perché osserviamo dunque le bolle scendere lungo la parete di vetro? Immaginiamo che il bicchiere sia svasato, come la classica pinta inglese. Quando la birra viene spillata, le bolle si formano in tutto il suo volume. Poiché il loro moto ascensionale avviene in verticale, vicino alle pareti svasate si forma una zona priva di bolle. Così, mentre verso il centro del bicchiere le bolle che si formano spingono il liquido verso l’alto, ai bordi la loro assenza rende il fluido più denso, privandolo inoltre di quest’effetto di trascinamento. Tale asimmetria genera un moto circolatorio: nella regione centrale il liquido risale mentre, vicino alle pareti, scende.
La velocità di discesa del fluido è moderata, dell’ordine del centi­metro per secondo, ma poiché è superiore alla velocità ascensionale delle poche bolle visibili vicine ai bordi, vediamo queste ultime scen­dere. Le bolle di birra addizionata di anidride carbonica, più grandi, risalgono molto più velocemente, quindi non vengono trascinate dal fluido in discesa e non le vediamo scivolare verso il basso.
L’effetto è invece opposto in un bicchiere che si chiude verso l’al­to: le bolle risalgono più rapidamente che in un bicchiere cilindrico. Notiamo come i biologi sfruttino un effetto simile quando devono trattare del sangue contenuto in una provetta. Noto come “effetto Boycott”, consiste in un’accelerazione nella sedimentazione dei glo­buli rossi dovuta al flusso che si ottiene inclinando la provetta.
Le bollicine formano una schiuma che appare molto bianca, quasi come neve, perché la luce viene diffusa molte volte all’inter­faccia tra gas e liquido. Con la Guinness, questa schiuma dura più a lungo. Perché?
La pressione del gas all’interno di una bolla dipende dalle sue dimensioni. A causa della tensione superficiale dell’interfaccia gas-liquido, questa pressione è tanto più elevata quanto il raggio della bollicina è piccolo. Anche in assenza di perturbazioni che ne fareb­bero scoppiare le pareti, le differenze di pressione tra bolle di taglia differente sarebbero sufficienti a far “maturare” la schiuma.
Il gas inizia a disciogliersi nelle pareti nei punti in cui la pressione è più elevata, e solo in seguito in quelli in cui è più bassa. Secondo tale meccanismo, attraversa quindi le pareti per andare dalle bolle più piccole verso le bolle più grandi. Le bolle piccole diminuiscono in misura maggiore rispetto alle grandi, che diventano dominanti: la schiuma si schiarisce e diventa più fragile perché ci sono sempre meno bollicine.
In una birra all’azoto, la bassa solubilità di questo gas rende la maturazione della schiuma molto più lenta. Così, se dopo cinque minuti una bolla di anidride carbonica di mezzo millimetro è quasi del tutto scomparsa, una bollicina di azoto delle stesse dimensioni si è sgonfiata appena un po’.
C’è tuttavia un prezzo da pagare per approfittare dei vantaggi dell’azoto: la schiuma si forma con maggior difficoltà. Se spillando sotto pressione o versando da una lattina una birra addizionata di anidride carbonica si creano turbolenze sufficienti affinché il gas di­sciolto si liberi e crei nel bicchiere una schiuma compatta di diversi centimetri, con l’azoto ciò non è sufficiente. Per spillare la birra azotata dal fusto, la si comprime con una miscela di tre quarti di azoto e un quarto di anidride carbonica a una pressione di circa 2 bar, dopo di che la si versa attraverso un rubinetto chiuso da un disco forato. Il flusso di birra diventa turbolento, e il gas e il liquido si mescolano fino a formare una schiuma densa.
Che cosa succede con una lattina? Poiché l’azoto è poco solubile, la maggior parte resterebbe allo stato gassoso galleggiando al di sopra del liquido e, aperta la lattina, sfuggirebbe direttamente nell’aria. L’azienda Guinness ha dunque brevettato nel 1969 un dispositivo originale. Appena prima di sigillarla, viene introdotta nella lattina una capsula sferica di plastica con un piccolo buco e un po’ di azoto liquido. Questo evapora e pone l’interno della lattina sotto pressione. Nel processo, però, una parte del gas si infiltra nella capsula con un po’ di birra e vi resta intrappolato. Quando si apre la lattina, l’improvvisa depressurizzazione fa dilatare il gas contenuto nella capsula, che esce attraverso l’orifizio e spinge fuori la birra intrappolata al suo interno. La forte agitazione che ne consegue genera quindi le agognate bollicine[…]. – Fonte: Edizioni Dedalo

Per saperne di più andate in libreria ricordandovi sempre che il mondo della conoscenza è sconfinato.

Annapaola Di Ienno

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