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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.

 

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Caldo record? In Germania scoppiano le autostrade

23 Giu

Come volevasi dimostrare, dopo il freddo record, la primavera con temperature glaciali, il sole che sarebbe in procinto di impazzire, finalmente e’ arrivata l’estate. E di cosa si parla? Facile, di caldo record!

Tutti quei siti che fino a ieri parlavano di estate che non ci sarebbe stata e freddo che faceva presagire una nuova era glaciale, oggi parlano di caldo record e di anomalie ambientali.

Ormai, siamo abituati a questo genere di informazione, ma e’ comunque interessante vedere le motivazioni che spingono queste persone a parlare di temperature fuori dalla norma.

Tratto di autostrada in Germania con asfalto esploso

Tratto di autostrada in Germania con asfalto esploso

La notizia che sta facendo tanto discutere in rete in questi giorni, viene dalla Germania, dove, e la notizia e’ reale, per il caldo diversi tratti dell’autostrada stanno letteralmente scoppiando. Come anticipato, non si tratta di una burla. Improvvisamente e senza nessun segnale premonitore, l’asfalto di diversi tratti di autostrada, soprattutto nel sud della Germania, esplode sgretolandosi. Proprio a causa di questo problema, e’ morto anche un motociclista che e’ stato letteralmente sbalzato contro il guard-rail morendo sul colpo. Come riportato dai siti tedeschi, il problema sembra relativo a circa 3000 dei 13000 Km di autostrade tedesche e, come detto, non si e’ in grado di capire dove e quando lo scoppio potrebbe avvenire. Ad oggi, ci sono stati quasi 20 episodi di questo tipo.

Come vedete, si tratta di un problema serio e reale, soprattutto dopo la morte del motociclista. Cosa potete leggere in rete? Come potete immaginare, c’e’ chi parla di anomalie provenienti dal Sole che e’ in procinto di inviare flare estremamente potenti sulla Terra. In alternativa, c’e’ chi punta il dito contro eventi simici e geologici. Secondo queste ipotesi, la terra si muoverebbe respirando in diversi punti, come per presagire un forte terremoto in arrivo in quelle zone.

Ovviamente, come sempre, si tratta di ipotesi campate in aria e senza alcun fondamento scientifico. E’ interessante pero’ analizzare il fatto in se, per capire l’origine di questo curioso fenomeno.

Quello che avviene e’ una sempice e naturale conseguenza della dilatazione termica. Come sapete, i materiali, non tutti in realta’, quando vengono scaldati si dilatano. Proprio per questo motivo si parla di dilatazione termica. Ciascun materiale avra’ un coefficiente di dilatazione diverso, che dunque indica di quanto questo si dilata aumentando la temperatura. In base alla forma in esame, parliamo di dilatazione termica lineare, superficiale o volumica.

Come e’ fatto il manto autostradale?

Distanziatori utilizzati sui ponti

Distanziatori utilizzati sui ponti

Molto spesso, l’asfalto viene posto in opera utilizzando appositi lastroni lunghi 5 metri che vengono affiancati uno all’altro. Per contrastare la naturale dilatazione termica, tra una lastra e l’altra viene lasciato un piccolo spazio che serve appunto a consentire la dilatazione senza ostacoli. Lo stesso spazio viene lasciato anche qundo l’asfalto viene deposto direttamente in loco in forma semi fluida.

Un esempio noto a tutti di questa tecnica, e’ facilmente visibile sui ponti. Qui, poiche’ la dilatazione potrebbe essere ancora maggiore a causa dei volumi minori, ad intervalli regolari vengono lasciate apposite fughe che consentono di assorbire le dilatazioni. Ci si accorge facilmente di queste fughe quando, passando con la macchina sopra un viadotto, si sentono sobbalzi ad intervalli regolari.

Bene, anche per la stesa dell’asfalto viene utilizzata la stessa tecnica.

Cosa sta succedendo in Germania?

Il problema dell’asfalto che esplode, come anticipato, e’ relativo solo a circa 3000 Km di autostrade, cioe’ quelle costruite alla fine degli anni 80. In quegli anni, non veniva utilizzato materiale di riempimento sotto l’asfalto in grado di diminuire la dilatazione ma, soprattutto, i lastroni impiegati avevano uno spessore minore, 22 cm, rispetto a quelli utilizzati in seguito, 28 cm. Lo spessore minore permette una maggiore dilatazione termica che potrebbe, in casi eccezionali, essere maggiore delle fughe lasciate durante la posa in opera.

Perche’ il fenomeno si sta verificando ora?

Nei giorni scorsi, si sono registrate temperature molto alte in Germania, che hanno toccato anche 5-7 gradi sopra la media. Questo ovviamente ha portato una notevole dilatazione termica delle lastre. Inoltre, il problema principale della Germania e’ la grande escursione termica che si registra tra estate ed inverno. Se, da un lato, durante l’estate l’asfalto si dilata, durante l’inverno si avra’ un accorciamento dovuto all’abbassamento delle temperature. In particolare, gli asfalti tedeschi devono resistere a variazioni anche di 60 gradi nel corso dell’anno, da -30 a +30 gradi centigradi.

Cosa c’entra questo?

Come anticipato, nella posa dell’asfalto si devono lasciare vie di fuga tra le lastre. Questi spazi devono essere in grado di assorbire le dilatazioni estive, ma non devono lasciare uno spazio troppo ampio nei mesi freddi. In alternativa, si potrebbero avere danni ai veicoli a causa degli intervalli troppo ampi.

Bene, a causa delle elevate temperature e dell’invecchiamento dell’asfalto le vie di fuga sulle autostrade tedesche non sono state in grado di assorbire le dilatazioni. In questo modo, due lastre possono spingere una contro l’altro fino ad arrivare allo sbriciolamento dell’asfalto che viene sollevato quando la spinta e’ troppo eccessiva.

Purtroppo, fenomeni del genere non sono prevedibili, nel senso che le esplosioni potrebbero verificarsi da un momento all’altro in un punto qualsiasi di maggiore assolazione.

Per il momento, i tecnici tedeschi sono in stato di allerta, pronti ad intervenire ad ogni segnalazione. Si sta anche pensando, come soluzione limite, di imporre limiti di velocita’ molto stringenti nei tratti interessati fino ad arrivare anche alla chiusura dei tratti maggiormente problematici.

Concludendo, la notizia delle autostrade tedesche che esplodono in questi giorni e’ reale. Ad oggi, si sono verificati circa 20 episodi. Come visto, si tratta di un problema dovuto alla dilatazione termica delle lastre di asfalto utilizzate che non viene contenuta dalle vie di fuga lasciate nella messa in opera. Quelle che invece sono completamente false, sono le tante ipotesi catastrofiste che non potevano certo mancare su una notizia di questo tipo.

 

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