Tre curiosità estive (e mezza)

Perché non ci si abbronza dietro al vetro

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Dal sole ci arriva luce di ogni colore, anche quelli che non esistono. Prendiamo i raggi ultravioletti (o UV) che, come suggerisce sottilmente il nome, hanno una lunghezza d’onda più corta del viola. Questa luce è più viola del viola, che però è l’ultimo colore che siamo in grado di vedere: niente colori UV per noi.

I raggi UV possono danneggiare cellule, che si proteggono producendo melanina per proteggersi. Più melanina si ha, più la pelle è scura. Chi non ne produce tanta di suo può stimolarla mettendosi al sole, abbronzandosi.

Il vetro l’abbiamo inventato e perfezionato per vederci attraverso: ci interessava la luce visibile. Ma il fatto di essere trasparente cambia a seconda della lunghezza d’onda della luce. E infatti la luce UV non attraversa bene il vetro.

Meno luce UV vuol dire che la nostra pelle si preoccupa meno, e quindi non si abbronza.



Raffreddamento estremo coi laser

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Quando pensiamo ai laser, probabilmente pensiamo a laboratori, scintille, fumo, pistole laser, spade laser… Il freddo, insomma, non è in cima alla lista. Ma per raffreddare davvero qualcosa (e intendo vicino allo zero assoluto), il laser è uno dei modi migliori.

Se si va a vedere nel profondo della fisica, la temperatura esprime quanto veloce si stanno muovendo le cose. Ad esempio, l’aria in una stanza è fatta di tante molecole che si muovono di continuo, qualcuna più veloce, qualcuna meno. Più alta è la temperatura dell’aria, più alta è la media di queste velocità. Viceversa, meno si agitano le molecole, più bassa è la sua temperatura.

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Solitamente raffreddiamo le cose mettendole a contatto con qualcosa di più freddo, e il rallentamento delle particelle arriva (in un certo senso) di conseguenza. Ma coi laser è diverso.

Semplificando molto, ci sono tre coppie di laser che si incontrano in un punto, dove abbiamo messo gli atomi da raffreddare. Perciò, se un atomo si muove in una certa direzione, va per forza incontro ad almeno un fascio laser, che è stato preparato in modo da cedergli un pochino di energia, spingendolo indietro.

Così ogni atomo è obbligato a stare praticamente fermo, e il gruppo di atomi si raffredda.

 

Perché il ventilatore fa fresco

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Per lo stesso motivo per cui soffiare sul brodo lo raffredda. Ma andiamo in ordine.

Quando fa caldo sudiamo.

Le molecole di acqua nel sudore si agitano—qualcuna più veloce, qualcuna meno—e si scontrano tra loro di continuo. Quanto veloci vanno, come abbiamo visto, c’entra con la loro temperatura.

Deboli forze tra una molecola e l’altra le tengono vicine, e così l’acqua resta liquida. Ogni tanto, però, una molecola molto veloce può riuscire a sfuggire a queste forze, evaporando. La velocità media delle molecole rimaste indietro si abbassa, e così anche la loro temperatura.

Le molecole evaporate, tuttavia, non vanno molto lontano, così possono essere “catturate” dal liquido, rientrando nel gruppo. La superficie di ogni microscopica gocciolina di sudore, quindi, è un continuo andirivieni.

Il ventilatore soffia via le molecole evaporate, che così non possono essere ricatturate, sbilanciando il delicato equilibrio della superficie. In questo modo, sempre più molecole lasciano definitivamente le gocce di sudore, si portano via del calore e raffreddano la nostra pelle. Che è anche il motivo per cui il brodo si raffredda soffiandoci su.

… e perché l’afa peggiora il caldo

L’idea è la stessa del ventilatore, ma al contrario.

Più l’aria è umida, più acqua contiene. Perciò è anche più probabile che molecole d’acqua vengano catturate dalle gocce di sudore. L’equilibrio della superficie si sposta nell’altra direzione, il sudore evapora lentamente e il caldo ci resta addosso più a lungo.

 

Per saperne di più
  • Un sito di fotografia spiega quello che ci perdiamo a non vedere gli UV
  • Una simulazione interattiva per capire meglio la faccenda movimento-temperatura
  • La spiegazione più precisa del raffreddamento laser sul sito dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Il grande Richard Feynman spiega più in dettaglio la storia del brodo e dell’evaporazione
  • Due cose in più su Sole, abbronzatura e scottature
Amorefisico va in vacanza! Ci risentiamo il 9 settembre
Buone vacanze!

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

1+1 fa davvero 2?

Il nostro mondo quotidiano, tutto sommato, non è troppo complicato per la fisica. Dalle ipotesi (solitamente sbagliate) di Aristotele alle leggi di Galileo e Newton abbiamo un’idea abbastanza precisa di come funziona. Con uno studio pubblicato su Nature Communications, un team internazionale guidato da ricercatori italiani ha dimostrato che il mondo microscopico non è altrettanto intuitivo.

Gli scienziati hanno immerso sfere di vetro grandi qualche millesimo di millimetro in un liquido oleoso. In determinate condizioni, l’agitazione delle molecole del liquido crea una forza tra due sferette vicine, un po’ come se ci fosse una molla a collegarle. Ognuna di loro, perciò, sente la spinta della sua vicina. L’effetto è simile a quello dimostrato in questo video (dal minuto 2 circa).

Intuitivamente, aggiungendo un’altra vicina, la nostra sferetta dovrebbe sentire una forza uguale alla somma della spinta delle due vicine. Dopotutto, se sto spingendo un oggetto—tipo un’auto in panne—e chiedo ad un amico di aiutarmi, la forza totale che esercitiamo sull’auto è semplicemente la somma della mia spinta più la sua.

Ma nel mondo microscopico non è così semplice. Il professor Andrea Gambassi della SISSA di Trieste (e uno degli autori dello studio) spiega che, nei loro esperimenti “la forza complessiva che una particella ‘percepisce’ su di sé è diversa dalla somma delle interazioni con ciascuna delle altre due, se queste fossero presenti da sole”. In pratica, la forza di due sferette assieme è diversa dalla somma delle forze che le due eserciterebbero separatamente. 1+1, questa volta, non fa 2.

La forza tra le sferette in funzione della loro distanza. Le linee rappresentano la somma delle forze che le sferette eserciterebbero da sole, i pallini quella misurata. CC-BY Palatugu et al/Nature.

“Conoscere questi effetti è molto importante, sia dal punto di vista della ricerca di base, sia dal punto di vista pratico, per coloro che studiano come creare micro-macchine”, continua Gambassi. La ricerca fa sempre più progressi verso robot microscopici per eseguire operazioni mediche non invasive. “Per capire come i diversi ‘ingranaggi’ interagiscono questa conoscenza è cruciale, soprattutto in presenza di fluidi”.

 

Foto copertina: Floating Balls, CC-BY-NC sibhusky2, via Flickr. Some rights reserved.

Uno stormo di astronavi verso le stelle

L’esplorazione spaziale ha un problema: è costosa e lentissima, perché le sonde sono grandi e pesanti, zavorrate dal carburante necessario per il lungo viaggio. Per questo, anche la stella più vicina (Alfa Centauri) è irraggiungibile, a millenni di volo da noi.

Secondo gli scienziati del progetto Breakthrough Starshot (progetto non-profit finanziato, tra gli altri, dal miliardario russo Yuri Milner) c’è una soluzione: viaggiare senza carburante, veleggiando nello spazio, spinti solo dalla luce.

Non è solo un’immagine poetica, è veramente possibile!

Quando una superficie assorbe luce, parte della sua energia finisce letteralmente per spingere sulla superficie. Se poi la luce viene riflessa, spinge ancora di più, esattamente come fa una pallina che rimbalza sul muro.

La spinta è comunque piccolissima, per cui solitamente non ce ne accorgiamo. Usando molta luce su oggetti leggeri, però, li si può muovere: la luce solare spinge già alcune piccole sonde. Per arrivare ad Alfa Centauri, però, non basta.

Breakthrough Starshot funzionerà combinando diversi laser focalizzati su piccolissime sonde chiamate StarChip. Gli scienziati stimano che così potranno accelerarle fino al 20% della velocità della luce in appena una decina di minuti, riducendo il viaggio per Alfa Centauri a solo vent’anni.

Il circuito al cuore delle sonde del progetto Breakthrough Starshot, che sarebbe spinta da una vela. Credit: Popular Science

Ogni micro-sonda sarà una specie di aquilone con una grande vela riflettente collegata ad un circuito elettronico che, in pochi centimetri e nel peso di una graffetta, conterrà alcuni sensori, una fotocamera, una trasmittente laser, un piccolo pannello solare ed una batteria. Il tutto, secondo Milner, al costo di un iPhone. Perciò se ne potranno produrre e lanciare centinaia alla volta, e pazienza se qualcuna va persa per strada, cosa probabile lungo i 4 anni luce di viaggio.

Le StarChip partiranno in massa da un satellite e verranno subito spinte da un complesso di laser. Le sonde non possono frenare quindi, arrivate a destinazione, sfrecceranno attraverso tutto il sistema planetario in appena un giorno, freneticamente misurando e scattando foto. Tutti i dati, poi, verranno trasmessi a terra.

 

I problemi non mancano: al momento non abbiamo vele abbastanza riflettenti o laser abbastanza grandi per il viaggio. Ma Milner ha messo sul piatto 100 milioni di dollari solo per un prototipo.

La nostra migliore occasione di toccare le stelle è arrivata.

 

Foto copertina: CC0 rihaij, via pixabay.com

Il contrario di heavy metal

L’idrogeno è l’elemento più leggero che ci sia. Sulla Terra, normalmente è un gas. Qualche volta lo usiamo liquido per raffreddare cose, ma può esistere anche in altre forme. Forse anche come metallo.

Usando micro-pistoni di diamante, un gruppo di ricercatori dell’Università di Edimburgo ha compresso atomi di idrogeno, raggiungendo pressioni circa 4 milioni di volte quella atmosferica.

Gli scienziati hanno sparato un laser nel materiale e hanno osservato come cambiava la luce attraversando il campione. In condizioni estreme, hanno osservato un comportamento nuovo, che segnala il passaggio da normale idrogeno ad un nuovo idrogeno V. “Usando la pressione possiamo costringere le molecole ad interagire”, dice Philipp Dalladay-Simpson, il giovane ricercatore che ha condotto gli esperimenti.

Secondo Ross Howie, un altro membro del team: “Abbiamo trovato un precursore dello stato metallico, che ha caratteristiche simili a quelle previste”.

L’idrogeno metallico non è mai stato osservato. Ma si pensa che, nel nucleo di pianeti come Giove e Saturno, l’insostenibile pressione di chilometri di gas (superiore anche a quella degli esperimenti), crei questo raro materiale.

Cover photo: CC0 Scott Webb/unsplash

La matita di Q

Forgiato al laser, magnetico, più duro del diamante, che crea come sotto-prodotto. Un nuovo tipo di carbonio sembra uscito dai laboratori dei film di 007.

Il carbonio ha molte forme diverse, dalle matite ai diamanti. Un team dell’Università di North Carolina State ne ha scoperta una nuova, chiamata carbonio-Q,  ottenuto scaldando uno strato di carbonio a quasi 4000° usando un laser.

“Usiamo un laser simile a quelli per la chirurgia oculistica—dice Jay Narayan, a capo della ricerca— Perciò […] il processo è relativamente economico”. La produzione, infatti, avviene a pressione e temperatura normali del laboratorio.

Il carbonio-Q è l’unica forma ferromagnetica del carbonio, è estremamente duro ed è un buon conduttore di elettricità. Insomma avrebbe un sacco di applicazioni, ma gli scienziati sono cauti: “Siamo ancora nelle prime fasi di comprensione di come manipolarlo”, dice Narayan.

Intanto, con lo stesso procedimento si possono produrre microscopici diamanti, utili per processi industriali, elettronica, come guida per farmaci.

Foto: Desmond Llewelyn 01, CC BY-SA by Towpilot – Own work, via Wikimedia Commons

Acceleratori portatili

Nel 1949 un computer era grande come una stanza. O come gli acceleratori di particelle che iniziavamo ad usare in medicina per radioterapia e diagnosi. Oggi computer più potenti di allora ci stanno in mano, ma gli acceleratori medici sono ancora ingombranti ed avidi di elettricità. Ma non per molto.

“Quello che richiedeva una stanza piena di apparecchiature potrà essere fatto da un carrello usando una normale presa di corrente” dice Andrew Goers, giovane ricercatore dell’Università del Maryland.

Il suo lavoro, pubblicato sulla prestigiosa Physical Review Letters, si basa sull’accelerazione al plasma. Semplificando, un laser sparato su un plasma (un gas con gli elettroni slegati dai loro nuclei) si lascia una scia, come un motoscafo. Questa risucchia elettroni, accelerandoli tantissimo.

Finora questa tecnica richiedeva laser potentissimi. Ma, sfruttando un effetto relativistico, Goers ha amplificato l’impulso laser. Ora un laser che consuma meno di una lampadina è sufficiente per un acceleratore medico.

Foto: gratisography.com