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L’esperimento della goccia di pece

23 Lug

Pochi giorni fa, e’ stata annunciata la notizia che finalmente e’ stato possibile riprendere uno degli esperimenti scientifici piu’ lunghi, secondo alcuni anche piu’ noioso, della storia.

Di cosa si tratta?

L’esperimento in questione e’ quello della goccia di pece. Come sapete bene, la pece e’ quella sostanza di colore nero, ricavata dai bitumi e da legni resinosi. In condizioni normali, la pece si presenta come un solido, tanto che e’ possibile romperla utilizzando un martello.

Confronto tra fluidi ad alta e bassa viscosita'. Fonte: Wikipedia

Confronto tra fluidi ad alta e bassa viscosita’. Fonte: Wikipedia

Anche se apparentemente sembra un solido, la pece e’ un fluido, precisamente un fluido ad altissima viscosita’. Come sapete, la viscosita’ di un fluido indica la resistenza della sostanza allo scorrimento. L’animazione riportata aiuta a capire bene la differenza tra fluidi ad alta e bassa viscosita’ quando questi vengono attraversati da solidi.

Bene, cosa c’entra la pece con questo esperimento?

Come anticipato, la pece e’ in realta’ un fluido ad alta viscosita’. Detto questo, anche se con tempi molto lunghi, questa sostanza deve comportarsi come un fluido. Sulla base di questa considerazione, e’ possibile realizzare un esperimento per misurare la viscosita’ della sostanza facendola scendere all’interno di un imbuto.

Il primo che propose questo esperimento fu il professor Thomas Parnell dell’università del Queensland. Parnell prese un pezzo di pece, lo sciolse e lo fece colare all’interno di un cono di vetro. Questo venne fatto addirittura nel 1927.

Per poter iniziare l’esperimento, fu necessario far raffreddare la pece, operazione che duro’ circa 3 anni, fino al 1930. Solo a questo punto, la parte finale del cono venne rotta formando un imbuto. Dal momento che la pece e’ un fluido, si devono osservare delle gocce cadere dall’imbuto.

Facile, direte voi. E’ vero, ma per eseguire questo esperimento serve tanta tanta pazienza.

Non ci credete?

La prima goccia di pece, cadde dopo ben 9 anni! Lo stesso avvenne per le gocce successive. Ecco una tabella riassuntiva dell’esperimento:

Data Evento Durata(Mesi) Durata(Anni)
1927 Inizio dell’esperimento: la pece viene versata nell’imbuto sigillato
1930 Il fondo dell’imbuto viene aperto
Dicembre 1938 Caduta della prima goccia 96-107 8-8,9
Febbraio 1947 Caduta della seconda goccia 99 8,3
Aprile 1954 Caduta della terza goccia 86 7,2
Maggio 1962 Caduta della quarta goccia 97 8,1
Agosto 1970 Caduta della quinta goccia 99 8,3
Aprile 1979 Caduta della sesta goccia 104 8,7
Luglio 1988 Caduta della settima goccia 111 9,3
28 novembre 2000 Caduta dell’ottava goccia 148 12,3

Perche’ questo esperimento e’ stato ritirato fuori in questi giorni?

Come evidenziato dalla tabella, sono state effettivamente osservate le gocce di pece cadere nel bicchiere sottostante, ma fino ad oggi, nessuno era mai riuscito a filmare la goccia che cadeva. In occasione dell’ottava goccia nel 200o, la telecamera che era stata montata era guasta, per cui si perse questo importante momento.

Seguendo il link, potete vedere il filmato della fatidica goccia che cade:

Video goccia di pece

Dai tempi misurati nell’esperimento, si e’ ricavato che la pece ha una viscosita’ pari a 230 miliardi di volte quella dell’acqua!

Durante questi 83 anni, l’esperimento e’ sempre stato in funzione e, nei primi anni del 2000, quando ci si rese conto che le variazioni di temperatura potevano modificare la viscosita’ della pece, la campana che conteneva l’apparato e’ stata termalizzata in modo da mantenere costanti i parametri.

Nel 2005, in memoria del professor Parnell, venne assegnato all’esperimento della goccia di pece l’IG Nobel, parodia, ormai seguitissima, del piu’ cleebre premio Nobel.

A parte gli scherzi, si tratta di un esperimento utile per evidenziare proprieta’ dei fluidi ad alta viscosita’. Certo, oggi come oggi, le misure sono state fatte, ma l’esperimento e’ ancora in corso perche’ rappresenta ormai un simbolo sia dell’universita’ del Queensland sia una memoria storica della fisica.

Se avete tempo libero, ma ne serve molto, potete ache seguire in diretta l’esperimento, collegandovi a questo link:

Diretta Pece

Dal punto di vista chimico-fisico, i fluidi alta viscosita’ sono assolutamnete interessanti e dalle proprieta’ a dir poco strabilianti. Anche il vetro, classificato come sostanza amorfa, puo’ essere definito un fluido ad alta viscosita’. Proprio per questo motivo, alcune vetrate delle chiese piu’ antiche, mostrano delle forme allargate verso il basso, caratteristica dovuta proprio al lento movimento del fluido.

Certamente, oggi come oggi non stiamo parlando di un esperimento in grado di stravolgere la fisica, ma di un’esperienza importante dal punto di vista storico e sicuramente curiosa per noi abituati alla comunicazione e ai risultati immediati. Punto a favore, e’ certamente il costo zero dell’esperimento che richiede solo un po’ di aria condizionata per termostatare il piccolo apparato.

 

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

La fisica del caffe’

4 Mar

Forse leggendo il titolo di questo post avete pensato di aver sbagliato indirizzo internet oppure che io mi sia impazzito. In realta’ niente di tutto questo. In questo post vorrei aprire una piccola parentesi prettamente scientifica e parlare appunto della “fisica del caffe'” o meglio di come funziona una moka.

Ribadisco non sono impazzito, semplicemente oggi ho realizzato che tutti conoscono la moka, ma in realta’ pochi sanno veramente come funziona. Credo che in realta’, anche molti appassionati di scienza ignorino il vero funzionamento di questo oggetto presente in tutte le case di noi italiani. Per questo motivo ho deciso di scrivere questo semplice post per spiegare come funziona la “macchinetta del caffe'”. In fondo, siamo sempre su un blog di scienza, e proprio di questo vogliamo parlare.

Schema di una moka

Schema di una moka

Partiamo dalle cose ovvie, la moka e’ composta di 3 parti principali in alluminio: il bollitore, un filtro metallico a forma di imbuto e dal raccoglitore. Come sapete tutti, si mette l’acqua nel bollitore, il caffe’ macinato nel filtro,si mette la moka sul fuoco e nel raccoglitore esce il caffe’.

Bene, se pensate che mettendo la moka sul fuoco portate l’acqua in ebollizione, il vapore passa nel filtro e condensa mentre risale verso l’alto, allora e’ il caso che continuiate a leggere il post. Questa risposta, comune alla maggior parte delle persone, e’ in realta’ sbagliata.

Dalla termodinamica, per una normale moka da tre tazzine, la pressione alla completa ebollizione dell’acqua nel bollitore  sarebbe circa di 1600-1700 atmosfere. In questo caso la moka sarebbe equivalente ad una bomba messa sul fornello.

Come funziona in realta’ la moka?

Quando riempiamo il bollitore, il livello dell’acqua arriva piu’ o meno a quello della valvola di sicurezza. Questo significa che quando chiudiamo, sopra all’acqua, e’ presente un certo volume di aria. Mettendo la macchinetta sul fuoco, solo una minima parte dell’acqua raggiunge l’evaporazione mentre l’aria, appunto riscaldandosi, aumenta la propria pressione cercando di espandersi in un volume ben delimitato.

L’espansione dell’aria, spinge verso il basso l’acqua che trova l’unica via di fuga nel beccuccio del filtro ed in questo modo risale verso la polvere di caffe’. L’alta pressione trasforma dunque l’acqua, nel suo passaggio attraverso l’imbuto, nella bevanda che tutti conosciamo. La continua spinta dal basso verso l’alto dell’ulteriore acqua, spinge il caffe’ verso il raccoglitore dove viene raccolto.

In questo caso quindi la pressione all’interno del bollitore e’ solo di poco superiore a quella atmosferica e, come detto, solo una minima parte dell’acqua arriva all’ebollizione.

Come verificare questo? Se ci fate caso, alla fine della preparazione si ha sempre uno sbuffo di vapore che fuoriesce dal raccoglitore. Questo indica semplicemente che il livello dell’acqua nel bollitore e’ arrivato sotto l’imbuto del filtro e quindi, sempre a cusa della spinta dovuta all’espansione, l’aria passa attraverso il condotto producendo la fuoriuscita di vapore.

A proposito, vi mostro un video molto interessante realizzato utilizzando imaging a neutroni su una moka in funzione. Come potete vedere, la spinta dell’aria spinge l’acqua calda attraverso il filtro fino al raccoglitore:

Questo e’ dunque il funzionamento della moka.

Notiamo prima di tutto una cosa. La lunghezza dell’imbuto del filtro non e’ casuale. Un imbuto troppo lungo farebbe uscire il caffe’ prima ma ad una pressione e ad una temperatura piu’ basse. In questo caso il sapore sarebbe meno forte a causa della ridotta pressione con cui l’acqua passa attraverso la polvere e mal miscelato a causa della bassa temperatura. In caso contrario, cioe’ un imbuto troppo corto, la quantita’ di caffe’ raccolto sarebbe troppo piccola e le pressioni richieste molto piu’ alte.

Anche la miscela di caffe’ utilizzata e’ molto importante. Come visto nel funzionamento, l’acqua passa attraverso la polvere una sola volta. Per questo motivo si cerca di macinare in modo molto sottile il caffe’ in modo da aumentare la superficie di contatto con l’acqua. Questo e’ importante per migliorare l’estrazione delle sostanze solubili presenti nel caffe’.

Per chi non lo sapesse, quello della moka e’ un brevetto completamente italiano. Questo strumento di piacere e’ infatti stato inventato da Alfonso Bialetti nel 1933.

La vera moka e’ infatti solo quella Bialetti. Non che io voglia fare pubblicita’, ma questa ditta e’ l’unica che puo’ sfruttare il brevetto originale. Questo infatti prevede una moka di forma ottagonale per aumentare la presa in caso di superficie bagnata. Marche diverse di moka prevedono forme diverse, rotonde o sempre poligonali, ma che non rispettano il brevetto originale.

Ultimissima curiosita’. Il nome moka deriva dalla citta’ Mokha in Yemen, una delle prime e piu’ famose zone di coltivazione del caffe’. Il nome espresso invece, che alcuni vorrebbero indicare la velocita’ di preparazione con questa tecnica, deriva in realta’ dalla crasi di due parole “extra” e “pressione” appunto per indicare la sovrapressione con cui l’aria spinge l’acqua attraverso il filtro ad imbuto.

Con questo chiudiamo questa breve parentesi. A questo punto fate un esperimento, provate a chiedere ad amici e conoscenti come funziona una moka. Vedrete quanti sono convinti di avere una bomba in casa.

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L’anomalia del Sud Atlantico

7 Gen

Come sappiamo bene, per il 21 Dicembre 2012, una delle profezie che ha riscosso maggior successo era quella che voleva un’inversione del campo magnetico terrestre con il conseguente aumento della radiazione, potenzialmente nociva, proveniente dal Sole.

Anche se il 21/12 e’ trascorso senza nessuna fine del mondo, non credo che ci sia bisogno di dimostrare questo, non si sono assolutamente calmate le tantissime teorie che ancora sfruttano un’eventuale indebolimento o anche l’inversione del campo magnetico.

Di queste problematiche abbiamo parlato in dettaglio in questo post:

Inversione dei poli terrestri

Come potete leggere, abbiamo ammesso che il polo nord magnetico si stia costantemente spostando e, stando ai calcoli e alle previsioni attuali, dovrebbe raggiungere la Siberia nel giro di circa 5o anni.

Nonostante questo, come anticipato, molte fonti ancora sostengono l’indebolimento del campo geomagnetico. In particolare, alcune di queste portano come prova scientifica a sostegno l’esistenza della cosiddetta anomalia del Sud Atlantico. Detta in parole molto semplici, si tratta di una zona vicina al Sud America, a largo del Brasile, dove lo schermo magnetico offerto dal campo contro la radiazione solare e’ meno forte, consentendo ad un numero maggiore di particelle di raggiungere quote piu’ basse.

Fate attenzione ad una cosa. Ho detto “dove lo schermo magnetico e’ meno forte”, non ho assolutamente detto “dove il campo magnetico e’ piu’ basso”. Come vedremo nel seguito, questa distinzione e’ fondamentale per smascherare queste teorie.

Veniamo all’ipotesi catastrofista. Secondo queste fonti, l’anomalia dal Sud Atlantico sarebbe una zona con minor campo magnetico, e questa sarebbe la prova che, prima di tutto, il campo magnetico terrestre sta velocemente diminuendo e, a sua volta, questo sarebbe il preludio all’inversione dei poli terrestri.

Prima di tutto una considerazione. Come detto piu’ volte anche nel post precedente, esistono prove di inversioni passate dei poli magnetici terrestri. Queste osservazione vengono fatte studiando il paleomagnetismo, cioe’ l’orientazione dei materiali magnetici all’interno di strati di rocce. Inoltre, non esistono prove di estinzioni di massa di qualche specie animale in concomitanza con queste inversioni. Questa considerazione solo per calmare ulteriormente gli animi.

Nonostante questo, si fa molto presto a parlare di possibile pericolo e di inversione in corso.

Prima di parlare di questa anomalia del Sud Atlantico, vorrei chiudere definitivamente il discorso campo geomagnetico. Come sappiamo, molti dei dati scientifici su queste misurazioni sono normalmente disponibili su web e liberamente accessibili a tutti. Per quanto riguarda i valori del campo, e’ molto utile consultare i soliti archivi del NOAA che ci consentono di fare delle considerazioni molto utili. Prima di andare avanti vi consiglio di visitare questo link:

NOAA Campo magnetico

Ora, utilizzando la parte inferiore della pagina, mettiamo, ad esempio, gli anni compresi tra 1900 e 2012, in modo da poter visualizzare le informazioni su una statistica considerevole, impostando uno “step: di 1 anno. Nella tabella che vi si apre, trovate molte informazioni sul campo magnetico terrestre, intensita’ in tutte le direzioni, inclinazione, posizione dei poli, ecc. Concentriamoci sui parametri utili per la nostra discussione. Notiamo prima di tutto che abbiamo delle variazioni sia nell’inclinazione che nella declinazione. Questa e’ esattamente la controprova di quello che abbiamo gia’ detto, il polo nord e’ in movimento in direzione nord-ovest.

Ora, vediamo invece i valori di intensita’. La tabella e’ molto completa, dal momento che ci riporta l’intensita’ delle singole componenti in tutte le direzioni. Fate attenzione ad una cosa. Se il campo magnetico e’ in movimento in una direzione specifica, nord-ovest in questo caso, e’ del tutto normale che alcune componenti crescano, mentre altre diminuiscono. Questo non significa che il campo magnetico sta diminuendo nel complesso.

Per capire se l’intensita’ complessiva del campo sta cambiando, dobbiamo vedere l’ultima colonna, cioe’ quella relativa all’intensita’ totale del campo. Cosa troviamo? Semplice, che le variazioni riportate sono assolutamente trascurabili. Come vedete, questa e’ solo un’altra prova che il campo magnetico terrestre non sta assolutamente diminuendo.

A questo punto, speriamo di essere riusciti a sfatare una volta per tutte le voci che continuano a rincorrersi su internet.

Passiamo invece all’anomalia del Sud Atlantico. Abbiamo detto di cosa si tratta, ma soprattutto abbiamo detto che viene portata come prova della diminuzione del campo.

Cerchiamo di capire meglio.

Forma del campo magnetico terrestre

Forma del campo magnetico terrestre

Piu’ volte, abbiamo parlato del campo magnetico e del fatto che questo rappresenti per noi uno scudo per le particelle emesse dal Sole in direzione della Terra. La particolare forma del campo, fa si che i fasci di particelle vangano spinti in direzione dei poli dove riescono a penetrare nella bassa atmosfera, formando in particolare le aurore.

Ora, alcune delle particelle emesse dal Sole restano intrappolate nel campo magnetico terrestre, formando delle zone specifiche ricche di elettroni e protoni. Queste zone, sono le cosiddette fasce di Van Allen. In particolare, possiamo distinguere due fasce, dette interna ed esterna, con quote diverse, rispettivamente dense di protoni e di elettroni.

Non c’e’ assolutamente nulla di sconvolgente nell’esistenza di queste strutture. La loro presenza era stata predetta ancora prima dell’osservazione, studiando l’imbottigliamento magnetico offerto dal campo per effetto della cosiddetta forza di Lorentz.

Cosa c’entrano queste fasce con l’anomalia del Sud Atlantico?

Immaginiamo per un attimo le due fasce come due lobi simmetrici rispetto all’asse magnetico della Terra. Come sappiamo pero’, l’asse magnetico della Terra non e’ esattamente coincidente con quello di rotazione, ma ci sono circa 11 gradi di differenza tra loro. L’effetto di questo spostamento, fa si che da un lato, la fascia interna sia piu’ vicina alla superficie terrestre, mentre dall’altro lato sia piu’ lontana. In particolare, il punto di maggior avvicinamento, in cui la fascia si spinge fino a circa 200 Km dalla superficie, cade proprio nella parte a Sud dell’Atlantico.

Questo e’ un disegno che puo’ aiutarci a capire meglio la questione:

Spostamento delle fasce di Van Allen dovute alla differenza tra gli assi

Spostamento delle fasce di Van Allen dovute alla differenza tra gli assi

Come vedete lo spostamento tra i due assi, crea questa non simmetria nelle fasce di Van Allen, ed e’ proprio questo avvicinamento verso la superficie, ripeto da un solo lato, il responsabile dell’anomalia del Sud Atlantico. Effetto di questo spostamento e’ ovviamente una minor schermatura verso la radiazione terrestre.

E’ pericolosa l’anomalia?

Assolutamente no. Questa differenza nel potere schermante e’ stata scoperta nel 1958, ma esisteva anche prima di questa data ed e’ dovuta ai parametri stessi della nostra Terra. Una minore schermatura dalla radiazione solare, non significa assolutamente che vivere in quella zona significhi essere bombardati da particelle mortali. L’anomalia era gia’ presente prima di essere scoperta, e soprattutto prima che qualcuno su internet cominciasse a specularci sopra.

A riprova di questo, vi voglio mostrare un grafico molto interessante:

Flussi di protoni misurati in diverse zone della Terra

Flussi di protoni misurati in diverse zone della Terra

Questo disegno rappresenta la concentrazione di protoni misurata nelle varie zone della Terra. Notiamo che in prossimita’ dei poli, dove c’e’ la chiusura del campo magnetico e dove sappiamo essere convogliate le particelle, abbiamo delle concentrazioni maggiori. Sulla mappa e’ facilmente identificabile l’anomalia del Sud Atlantico in cui il flusso di particelle e’ maggiore ma notiamo che, ad esempio, i valori registrati sono simili a quelli di molte zone del Canada. Non mi sembra che nessuno si sia mai lamentato in Canada delle radiazioni solari.

Concludendo, l’anomalia del Sud Atlantico e’ solo una conseguenza dei parametri strutturali della Terra. In queste zone si ha un flusso di particelle maggiori dovuto ad una schermatura inferiore da parte del campo geomagnetico, ma assolutamente nulla di pericoloso. L’esistenza di questa anomalia, non costituisce in nessun modo una prova della diminuzione, ne’ tantomeno della prossima inversione, del campo magnetico. Tra l’altro, i valori riportati dal database del NOAA, confermano lo spostamento del polo Nord magnetico in direzione nord-ovest, ma non mostrano assolutamente una diminuzione sistematica dell’intesita’ totale del campo.

 

 

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