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I segreti delle ragnatele

21 Lug

In questi giorni per ben due volte ho sentito parlare di ragnatele, sentendo queste opere utilizzate come metafore. Proprio da qui, mi e’ venuta la curiosita’ di scrivere un articolo specifico su questo argomento, noto a tutti nel senso stretto del termine, ma forse non troppo specificatamente dal punto di vista ingegneristico.

Come e’ noto, le ragnatele vengono create per lo scopo principale di procurare cibo. Gli insetti restano infatti intrappolati sulle tele fornendo ottimi spuntini ai ragni. Oltre a questa funzione vitale, solo pochi giorni fa avevamo parlato di un altro fenomeno:

Quando gli angeli perdono i capelli

Come visto, le ragnatele possono essere utilizzate anche per le migrazioni dei ragni, che si lasciano trasportare insieme alle loro tele dal vento, riusciendo a percorrere anche tratti molto lunghi senza fatica.

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Da cosa sono composte le ragnatele?

Biologicamente, la seta viene prodotta da speciali ghiandole dette filiere. Il filo e’ ricco di catene di aminoacidi tra cui glicina, serina e alanina la cui composizione puo’ leggermente variare in base alla specie. All’interno delle filiere, la seta e’ ovviamente in forma liquida e solidifica non appena fuoriesce dal ragno.

Per essere precisi, ci sono due tipologie di seta che vengono utilizzate per preparare una tela. La prima e’ appicicosa e serve per intrappolare gli insetti. Se vogliamo, questa offre solo il materiale di cattura. Ben piu’ interessante e’ la cosiddetta seta dragline, che costituisce invece l’elemento strutturale della ragnatela.

Come viene costruita la ragnatela?

Ovviamente, in base al punto in cui si deve operare, ci saranno procedure leggermente diverse. Come sappiamo bene, ci sono ragnatele angolari, orizzontali, verticali, ecc. In tutte queste strutture, troviamo pero’ fili radiali e fili circolari, con funzioni diverse. I punti piu’ importanti della tela stessa, sono ovviamente quelli di ancoraggio dei fili alla superficie.

Le ragnatele sono da sempre sudiate nel campo dei materiali proprio grazie alle loro stupefacenti caratteristiche di resistenza. Come anticipato, la prima proprieta’ fondamentale e’ da ricercarsi proprio nella dragline. Per darvi un’idea, il carico di rottura di questa seta, cioe’ la pressione da esercitare per spezzare un filo, e’ paragonabile a quella dei migliori acciai sul mercato. Se pensiamo che pero’ questo materiale ‘e molto meno denso dell’acciaio, abbiamo dei carichi di rottura normalizzati alla densita’ che rendono la dragline fino a 5 volte piu’ resistente dell’acciaio. Proprio questa straordinaria proprieta’ ha richiamato molti studi sulle ragnatele appunto per imitare la natura nella ricerca di materiali sempre piu’ resistenti o in grado di resistere a carichi elevati.

Come e’ noto, ingegneristicamente, per costruire una struttura con determinate qualita’ non basta utilizzare materiali specifici, anche la struttura stessa deve essere studiata per lo scopo. Cosa significa questo? Anche la costruzione delle ragnatele avviene con criteri specifici e che rendono queste opere straordinarie.

Come evidenziato da studi e simulazioni nanometriche fatte, una tela di ragno ha la capacita’ di essere perturbata non linearmente con un carico. Questo comportamento e’ opposto a quello che normalmente avviene in natura. Facciamo un esempio per capire meglio. Se abbiamo un problema ad un ginocchio, possiamo ugualmente camminare ma con il rischio che, a causa del precario equilibrio, anche la colonna vertebrale possa subire danni. La ragnatela si comporta invece in modo opposto. Se, per qualche motivo, una parte di tela si rompe o cede, la struttura e’ realizzata in modo da non compromettere la funzionalita’ del complesso. Poiche’ la produzione di seta e’ un processo molto dispendioso per il ragno, questo comportamento consente di poter recuperare la tela senza dover ricominciare da capo.

Inoltre, la seta gode di ottime proprieta’ elastiche. Proprio questa caratteristica fa si che dopo la cattura di un insetto, la struttura entri in vibrazione facendo capire al ragno che la cena e’ pronta.

Come anticipato, le ragnatele sono da sempre studiate dagli esperti non solo per carpire i segreti della materia prima utilizzata ma anche per emulare la struttura per l’ottimizzazione dei punti di ancoraggo di ponti sospesi, sopraelevate, ecc. Come osservato innumerevoli volte, una tela di ragno e’ in grado di resistere addirittura alla violenza di un uragano.

Concludendo, le ragnatele sono assolutamente uno spettacolo di natura. Osservare questi manufatti ci consente di capire molte cose sia dal punto di vista chimico sia per le caratteristiche ingegneristiche delle strutture e delle tele utilizzate. Come visto, le ragnatele presentano doti meccaniche molto migliori di quelle dei materiali attualmente utilizzati nelle costruzioni. Sicuramente, osservare la natura ci puo’ consentire di comprendere al meglio le soluzioni utilizzate da specie animali, ben piu’ antiche dei nostri attuali edifici.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

 

Risparmiare con la lavatrice

15 Lug

Diverse volte ci siamo occupati di risparmio energetico domestico, analizzando prima di tutto i consumi dei nostri elettrodomestici quando vengono lasciati in standby:

Il led rosso dello stadby …

ma soprattutto spiegando e valutando il contributo ai consumi dei singoli elettrodomestici che abbiamo in casa:

Elettrodomestici e bolletta

In questo post, su suggerimento di una nostra lettrice, vorrei tornare a parlare della lavatrice. In particolare, mi e’ stato chiesto di spiegare come funzionano i cosiddetti “foglietti acchiappacolore”.

Sapete a cosa mi riferisco?

Chiunque abbia mai fatto una lavatrice sa bene che la prima cosa da fare e’ separare i panni bianchi da quelli colorati che potrebbero potenzialmente stingere. Come sappiamo bene, in caso contrario potremmo tirare fuori dall’oblo’ dei panni che prima erano bianchi ed ora sono di un bel rosato.

Fare questa distinzione, comporta pero’ un maggior tempo per accumulare un carico in grado di riempire la lavatrice. Molto spesso, per esigenze di lavaggio, si tende dunque a far partire la lavatrice non proprio a pieno carico. Torneremo successivamente su questo punto.

Detto questo, avere la possibilita’ di mescolare tutti i panni insieme comporta sicuramente una facilita’ di lavaggio. A tal proposito, sono stati appunto proposti questi foglietti acchiappacolore.

Come funzionano?

Anche se i costituenti fondamentali sono segreti e brevettati da una ditta irlandese, il meccanismo alla base sfrutta la differenza di carica tra colore e foglietto. Mi spiego meglio. I coloranti tessili piu’ utilizzati hanno carica negativa. Inserendo nella lavatrice un foglietto carico positivo, la differenza di carica elettrica fa attaccare il colore solo al foglietto come se fosse una calamita.

A differenza di quanto si legge su alcuni siti, il foglietto e’ del tutto riciclabile e puo’ essere tranquillamente buttato insieme ai rifiuti cartacei nella raccolta differenziata.

Funzionano davvero questo foglietti?

Su questo punto, le opinioni in rete non sono molto concordi. C’e’ chi dichiara l’assoluta inutilita’ del metodo e chi ne elogia le caratteristiche. Quello che purtroppo sfugge a molti e’ che la lavatrice va comunque caricata con un certo criterio. Qualora fossero presenti capi che stingono molto, puo’ essere necessario inserire piu’ di un foglietto.

Sicuramente, il punto a sfavore di questa soluzione e’ la non economicita’ dei foglietti. Qualche tempo fa, avevamo pero’ affrontato il discorso dei detersivi biologici fatti in casa:

Detersivi Ecologici

Bene, esiste gia’ un metodo per preparare ache i foglietti in casa. Per fare questo, basta prendere dei panni di cotone, un barattolo di vetro e della soda per bucato. Mettete nel vasetto un po’ di acqua calda e sciogliete all’interno la soda. A questo punto, immergete il panno di cotone per alcuni minuti fino a quando non sara’ pregno d’acqua. Fate asciugare all’aria il quadrato di stoffa e il vostro foglietto domestico e’ pronto. Essendo basato su prodotti naturali, l’efficacia di questa soluzione a parita’ di superficie e’ leggermente inferiore a quella dei foglietti commerciali. Visto il risparmio pero’, potete anche pensare di mettere piu’ di un foglietto nel bucato.

Ora pero’, onde pensare che questo sia divenuto un blog di soluzioni domestiche, torniamo al discorso sui consumi energetici. Come detto, il problema di dover accumulare la quantita’ corretta di abiti da lavare, spinge in alcuni casi a far partire la lavatrice non a pieno carico.

Nei modelli non troppo vecchi, e’ presente il tasto mezzo carico, che ci consente di far partire la lavatrice in modo ottimale anche con la meta’ del carico massimo. Quello che non tutti sanno, e’ che questa soluzione non consente assolutamente di spendere meta’ dell’energia ne tantomeno dell’acqua.

Mi spiego meglio.

Per capire il discorso, vi riporto il link di una nota casa produttrice, in cui trovate i dati di consumo di un modello specifico:

Dati lavatrice

Notate in particolare queste righe:

Consumo energetico 60° pieno carico (kWh): 0.76
Consumo energetico 60° mezzo carico (kWh): 0.66

Cosa dicono?

Lavando a 60 gradi, il consumo a pieno carico e’ di 0.76 KWh. Lavando alla stessa temperatura, ma con meta’ del carico, il consumo e’ di 0.66 KWh. Mettendo il 50% del carico, risparmiate solo il 13% di energia.

Capite dunque perche’, ogni qual volta si parla di soluzioni per il risparmio energetico, si dice di far andare la lavatrice a pieno carico.

Valori un po’ piu’ convenienti si hanno, ad esempio, per l’asciugatrice. Se guardiamo ai dati di un modello specifico:

Dati Asciugatrice

Vediamo che:

Consumo di energia del programma cotone standard a pieno carico: 2.03 kWh

Consumo di energia del programma cotone standard a mezzo carico: 1.24 kWh

In questo caso si ha un risparmio maggiore, ma comunuqe sempre lontano dal 50% di energia che si potrebbe erroneamente pensare.

I nuovi modelli di lavatrice hanno invece dei sensori nel cestello in grado di pesare il carico e ottimizzare il consumo di acqua e elettricita’. In questo caso, il risparmio e’ sicuramente migliore, anche se il riscalo in base al carico non e’ assolutamente proporzionale. Con cio’ si intende che il consumo non sara’ mai proporzionale al peso in Kg di bucato, anche se migliore dei vecchi modelli.

Concludendo, la lavatrice e’ sicuramente uno degli elettrodomestici piu’ utilizzati e che maggiormente contribuisce ai nostri consumi domestici. I foglietti acchiappacolore consentono, almeno in linea di principio, e se usati correttamente, di ottimizzare il carico mescolando abiti diversi. Far funzionare una lavatrice non a pieno carico, o al limite nella funzione mezzo carico, consente un risparmio irrisorio rispetto al pieno carico. Condizione migliore si ha con i nuovi elettrodomestici sensibili al reale peso del bucato. Nonostante questo, la cosa migliore per risparmiare energia e’ sicuramente quella di far girare la lavatrice a pieno carico sempre.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Londra-New York in un’ora?

6 Mag

Molto spesso leggo delle notizie interessanti sui giornali, che pero’ vengono rovinate dalla continua ricerca del sensazionalismo giornalistico che fa trascendere gli articoli nel ridicolo. E’ questo il caso del test effettuato dall’aviazione americana sul protopipo X-51 proprio pochi giorni fa.

Come forse avrete letto, il 3 Maggio e’ stato effettuato un nuovo test di volo per il velivolo sperimentale X-51 che e’ riuscito a volare alla velocita’ di mach 5.1, cioe’ 5.1 volte la velocita’ del suono. Detto in unita’ di misura comprensibili a tutti, alla velocita’ di 6240 Km/h.

Dov’e’ l’assurdita’ della notizia? Ovviamente, la notizia del test e’ reale, cosi’ come e’ veritiera la velocita’ raggiunta, l’assurdo e’ nel fatto che si dichiara di aver raggiunto la piu’ alta velocita’ mai registrata e che in un futuro molto prossimo potremo viaggiare tra Londra e New York in un’ora.

Cominciamo proprio dall’ultima parte. Semplicemente, i moderni caccia raggiungono velocita’ intorno a 2 volte quella del suono. Per poter sopportare queste accelerazioni, i piloti devono godere di uno stato di salute ottimale, oltre ovviamente a sostenere un pesante e continuo allenamento per resistere a questi parametri di volo. Secondo voi, un passeggero normale, potrebbe mai viaggiare a 5 volte la velocita’ del suono? Io direi di no, a meno di arrivare a New York con la maggior parte dei passeggeri morti ancora legati ai sedili. Spesso, basterebbe ritornare a fare il mestiere di giornalista piuttosto che di profeta per evitare di sparare strafalcioni di questo tipo.

Passando invece al discorso velocita’, dobbiamo fare qualche considerazione piu’ tecnica. Prima di tutto, mach 5.1 non e’ la massima velocita’ raggiunta in sistemi di questo tipo. In passato, altri velivoli sperimentali, come ad esempio X-43, hanno raggiunto velocita’ intorno a mach 10. Il risultato importante del test sul X-51 e’ stato raggiungere questi picchi di velocita’ per tempi piu’ lunghi, intorno ai 4 minuti. I precedenti test avevano ottenuto velocita’ maggiori, ma per tempi brevisimi. Proprio questo fatto, aveva poi spinto la ricerca nello studio di soluzioni piu’ “lente” ma che consentissero di mantenere le velocita’ per periodi piu’ lunghi.

Credo che a questo punto sia interessante parlare un po’ piu’ in dettaglio di questo X-51. Questo prototipo nasce da una collaborazione tra l’aviazione americana, la NASA, la Boeing e la Darpa. Scopo finale dello sviluppo e’ raggiungere una velocita’ di mach 7 per tempi dell’ordine di cinque minuti.

Come e’ possibile raggiungere queste velocita’? Per prima cosa, il lancio avviene con l’X-51 fissato sotto l’ala di un B-52H che lo porta fino alla quota di 50000 piedi.

X51 posizionato sotto l'ala del B52H

X51 posizionato sotto l’ala del B52H

A questo punto, il velivolo viene sganciato e, dopo 4 secondi di caduta libera, viene acceso un razzo MGM-140 che arriva fino alla velocita’ di mach 4.5. Arrivati a questa velocita’, l’X-51, anche detto WaveRider, viene sganciato e accelera fino alla velocita’ massima, nominalmente mach 7.

L’accelerazione del WaveRider e’ assicurata da un motore sperimentale chiamato Scramjet. A differenza dei normali motori a turbina, che sono limitati ad una velocita’ di punta di mach 2.5, lo scramjet e’ un propulsore privo di parti mobili. L’aria entra, viene miscelata con il carburante e brucia automaticamente. L’elevato calore e la velocita’ del flusso in uscita determinano la spinta del velivolo. Ovviamente, per poter funzionare, il motore ha bisogno di aria che entra ad alta pressione e, per questo motivo, e’ necessaria la fase di lancio con un razzo MGM.

Perche’ e’ importante sviluppare questo tipo di tecnologia? Per prima cosa, come potete immaginare, questo tipo di test viene fatto in ambito militare per la continua ricerca su razzi supersonici o per droni capaci di viaggiare ad altissima velocita’ e dunque piu’ difficili da intercettare.

Oltre all’ambito militare, applicazioni di questo tipo potrebbero essere importanti anche per il futuro dei voli spaziali, come dimostra la collaborazione della NASA al progetto. Attenzione pero’, anche su questo punto si leggono molte cose inesatte in rete. Prima di tutto, lo scramjet per poter funzionare necessita’ di un flusso di aria in ingresso. Detto questo, e’ impensabile utilizzare il motore al di fuori della nostra atmosfera. Lo scramjet potrebbe pero’ essere utilizzato come stadio di lancio dei velivoli spaziali. Dalla descrizione fatta, appare evidente che questo motore ha il vantaggio enorme di un dover trasportare il comburente. In questo senso, si avrebbe una notevole riduzione del carico dei velivoli spaziali per la spinta fino ai confini della nostra atmosfera. Come e’ facilmente intuibili, minor carico equivale a voli piu’ economici.

Ovviamente, per poter utilizzare questi sistemi in voli commerciali, sia a terra che nelle missioni spaziali, sara’ necessaria ancora molta sperimentazione, soprattutto per rendere competitivi questi lanci rispetto alle altre soluzioni di cui abbiamo parlato in questi post:

I lanci Spaziali del Futuro

Dove andiamo in vacanza? Nello spazio!

Dal turismo al traferimento nello spazio

Come visto, il notevole interesse di compagnie private, e ovviamente l’afflusso di capitali, in queste ricerche, sta determinando una spinta non indifferente nella sviluppo di questi settori. Sicuramente, in un futuro molto prossimo, potremo sfruttare sistemi che fino a ieri sembravano soltanto fantascientifici.

 

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UFO esplode a Sacramento

8 Gen

Alla questione avvistamenti UFO abbiamo dedicato qualche post in passato:

Lens Flare e avvistamenti UFO

Palla di fuoco nei cieli del Sud Italia

Misteriose sfere di luce

Curiosity e gli UFO

Curiosity e gli UFO: dopo le foto, il video

Come sapete, tolti i video spudoratamente falsi che ogni giorno vengono caricati su youtube, a volte e’ interessante commentare queste testimonianze dal momento che ci permettono di esplorare concetti scientifici poco conosciuti.

Proprio per questo motivo, ha attirato la mia attenzione un video di pochi giorni fa, ripreso a Sacramento in California, in cui si vede un presunto UFO nell’alta atmosfera che improvvisamente esplode. Il video in questione sarebbe stato ripreso con un telescopio da un giovane astrofilo americano.

Attenzione, sicuramente il fatto che il testimone sia un astrofilo potrebbe essere un sigillo di garanzia. Un appassionato di stelle dovrebbe conoscere, piu’ o meno, gli oggetti che puo’ osservare in cielo e dunque escludere cose note che potrebbero trarre in inganno non esperti del settore.

Premesso questo, vi riporto il video:

La immagini iniziali sono riprese addirittura da un network americano e inizialmente viene anche intervistato l’astrofilo che per primo ha osservato l’oggetto. Il presunto UFO sarebbe formato da un oggetto centrale e da un altro puntino, molto piu’ piccolo, che, a detta anche dell’astrofilo, sembrerebbe ruotare intorno al corpo centrale. Improvvisamente, come si vede dalla immagini, l’oggetto centrale esplode.

Di cosa si tratta? E’ possibile che si tratti realmente di un UFO?

Ovviamente, ma questo gia’ lo sapevate, la risposta e’ NO.

Cerchiamo di capire il perche’.

Con ottima probabilita’, il corpo centrale che si vede nelle immagini e’ un pallone sonda. Di cosa si tratta? Un pallone sonda e’ uno speciale pallone aerostatico di dimensioni ridotte, che viene utilizzato per portare della strumentazione in quota con lo scopo di fornire dati utili. Una delle applicazioni principali di questi oggetti e’ per misure meteorologiche, permettendo infatti di misurare i parametri atmosferici direttamente in quota. L’elettronica con cui vengono equipaggiati e’ ovviamente corredata di un GPS per seguirne gli spostamenti e di un sistema di trasmissione dei dati,  in genere via sms o via onde radio.

Non ci credete? Su youtube, ma questo ovviamente i tanti siti che ne parlano non ve lo dicono, e’ stato caricato solo pochi giorni dopo, un altro video che mostra l’esplosione di un pallone sonda e viene fatto il confronto diretto proprio con il caso di Sacramento. Ecco il video, giudicate voi:

Cosa ne pensate? Dal mio punto di vista, le due esplosioni sono completamente paragonabili.

Schema di massima di un pallone sonda

Schema di massima di un pallone sonda

Non contenti, cerchiamo di capire meglio come funziona un pallone sonda per spiegare il comportamento di questi oggetti dopo il lancio.

Il pallone aerostatico viene costruito in genere con lattice o cloroprene, un particolare tipo di gomma sintetica, e riempito con Elio. Questo gas, piu’ leggero dell’aria, consente, grazie alla differenza di peso, al pallone di salire in quota.

Come vedete dal disegno riportato, al pallone viene collegato un generatore solare, un pacco batterie, l’elettronica di lettura e un riflettore radar. Quest’ultimo, in particolare, e’ formato da una serie di specchi collegati tra loro ed e’ utile per aumentare l’eco dei segnali. Ovviamente, gli specchi possono molto facilmente riflettere anche la luce solare o la luce di led o spie che sono poste sull’elettronica.

Molto spesso, visti da terra, i palloni sonda risultano molto luminosi proprio grazie alla presenza di questo riflettore.

Come funziona un pallone sonda? Detto in parole povere, anche se i materiali sono diversi, si comporta esattamente come un palloncino che lasciate libero di volare. Sicuramente, molte volte da bambini vi sarete chiesti che fine fanno i palloncini che lasciate volare. Il pallone sonda, cosi’ come i comuni palloncini, sono riempiti di elio. Man mano che aumenta la quota, la pressione dell’aria diminuisce e, per compensazione, aumenta quella interna del pallone. Arrivati ad una certa quota, il materiale che costituisce il pallone non e’ in grado di reggere la pressione e scoppia in volo.

Questa e’ generalmente la fine che fanno sia i palloni sonda che i palloncini, questi ultimi in particolare scoppieranno ad altezze nettamente inferiori a causa dei materiali meno resistenti.

Che altezza puo’ raggiungere un pallone sonda? Ovviamente questo valore dipende da molti parametri, oltre a quelli costruttivi, sara’ funzione anche della quantita’ di elio che pompate all’interno. Comunque, per darvi un’idea, l’esplosione, e dunque la fine della misura, arriva generalmente intorno ai 25000-30000 metri da Terra. Guarda caso, proprio piu’ o meno l’altezza a cui l’astrofilo americano dice di aver filmato l’esplosione dell’UFO.

A questo punto pero’, potrebbe sorgere una domanda lecita. Se la fine della missione e’ decretata dall’esplosione della sonda, e dunque dalla sua perdita, quanti palloni vengono lanciati in atmosfera? In realta’, questo genere di lanci vengono fatti tutti i giorni, anche per scopi diversi da quelli metereologici.

E’ vero che una volta lanciato, il pallone e’ destinato a perdersi, ma il costo di questo “vettore” atmosferico e’ veramente irrisorio. A riprova di questo, vi segnalo un sito molto interessante:

Vendita Palloni Sonda

Avete visto i prezzi? Come vedete il tipo di pallone da prendere dipende dal peso che volete trasportare. Parliamo comunque di cifre che vanno dai 5 euro per quelli meteo, fino ai 150 per quelli in grado di portare in quota fino a 2 Kg di carico. Possiamo definirli prezzi davvero popolari e sostenibili pensando di dover perdere il pallone dopo il lancio.

A questo punto, non mi sembra che ci sia assolutamente nulla da aggiungere sul video di Sacramento. Come anticipato, e’ stato utile discuterne dal momento che ci ha permesso di affrontare temi interessanti e legati alle misurazioni in atmosfera tramite palloni sonda.

 

 

 

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