Gli spaghetti non si spezzano mai in due

Prendendo uno spaghetto crudo dalle estremità e piegando sempre più, prima o poi si romperà. Non in due però: quasi sicuramente in tre o più pezzi. Che stregoneria è mai questa?

Non ci credete? Siate scienziati: provate!

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Fibre ottiche al mare

La prossima volta che andate in piscina o al mare potete fare un esperimento che spiega le fibre ottiche. Guardando direttamente in su, si vede attraverso l’acqua. Guardando più di sbieco la superficie, c’è un punto dopo il quale diventa come uno specchio. Sembra una cavolata, ma apre una finestra su un sacco di fisica complicata.

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Cos’è il grafene

Volete vincere un Nobel e scoprire un materiale con praticamente tutte le proprietà migliori? Prendete una matita e un rotolo di scotch. Sul serio.

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Fenomenali poteri cosmici e minuscolo spazio vitale

Non sarebbe bellissimo portare l'universo in laboratorio? L’astronomia è una delle parti della fisica che più catturano la fantasia. Svelare i misteri dell’universo, d’altra parte, è indubbiamente affascinante. Purtroppo galassie e buchi neri non collaborano agli esperimenti.

Un gruppo di fisici, che fa capo all’Università Federico II di Napoli, sta lavorando ad una soluzione.

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Le superfici auto-pulenti

Per secoli abbiamo avuto sotto il naso (almeno quelli di noi che hanno foglie di loto attorno) il segreto per superfici perpetuamente antimacchia. Ma grazie alla fisica stiamo scoprendo come non pulire mai più, non importa cosa rovesciamo.

La chiave di tutto è come fa l’acqua ad attaccarsi, insomma, come fa la roba a bagnarsi.

Le molecole d’acqua sono fatte di idrogeno ed ossigeno. L’ossigeno ama gli elettroni e costringe i piccoli idrogeni che ha attorno a passarglieli. In questo modo la molecola acquista una piccola carica elettrica negativa da un lato ed una positiva dall’altro.

La densità media degli elettroni in una molecola d’acqua. L’ossigeno ci tiene ai suoi ed è avido di quelli degli altri, perciò tende ad avere più carica attorno. credit: Lawrence Livermore Laboratory

Avvicinandosi ad una superficie dal lato dell’ossigeno, la molecola d’acqua spinge un pochino via gli elettroni del materiale della superficie (e l’opposto avviene se si avvicina dal lato dell’idrogeno). La superficie prende temporaneamente una piccolissima carica opposta, che attrae immediatamente l’acqua. Insomma, la roba si bagna per via dell’elettricità.

CC-BY-NC-ND Thomas, via Flickr.

Ma le molecole d’acqua stanno attaccate anche tra loro. Se questa forza è più forte di quella che le attacca alla superficie, si appallottolano in una gocciolina e rotolano via. I materiali che creano questo fenomeno si chiamano idrofobici, che significa “ che temono l'acqua“… anche se sarebbe più corretto dire che è l’acqua a temerli!

Rivestimenti speciali, come quelli delle padelle antiaderenti possono rendere una superficie idrofobica. Ma c’è una via migliore— quella della fisica

Prendete una foglia di loto: è coperta di gobbette e creste, piccole fino a pochi atomi. Le gocce d’acqua non hanno abbastanza contatto da potersi attaccare bene, perché toccano solo la cima di poche gobbette. Semplificando un po’, questo fa sì che la coesione all’interno della goccia “vinca”, tenendola appallottolata. Rotolando via, poi, raccatta tutto lo sporco che trova.

Uno schemino di come una goccia d’acqua sta sulla microstruttura di una foglia di loto.

Studiando queste foglie, gli scienziati hanno scoperto il trucco e l’hanno usato per creare materiali con gobbette e creste simili. Con questi materiali che non si bagnano e non si sporcano mai si possono fabbricare strumenti chirurgici che non si sporcano di sangue o gabinetti che non serve pulire, risparmiando acqua in posti dov’è scarsa.

Per saperne di più
  • Questo post è parte di una serie in corso sulle forze molecolari e come si bagnano le cose. Trovate gli altri episodi qui
  • In realtà, anche la forma delle gocce d’acqua è importante: le foglie di loto, col vapore, si bagnano tantissimo
  • Leggendo in giro ho trovato questo coltello idrofobico che taglia l’acqua. Che figata è?!

 

Foto copertina: CC0 yang pin/pixabay

Il drago assetato e altre magie della capillarità

Il magnifico drago spinoso. Credit: wikimedia

C’era una volta un drago che viveva nel deserto ed amava mangiare formiche. Ne era così ghiotto che per loro rinunciò all’abilità di bere, rendendo la propria bocca ottima per mangiare ma incapace di prendere sorsi.

Al suo posto aveva imparato qualcosa di meglio: come strappare acqua dalla sabbia stessa evocando una forza più potente della gravità.

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Perché i razzi sono dipinti a quel modo?

Qualche mese fa, durante una pausa ad una conferenza, ho incontrato un’interessantissima giovane ingegnere*. Mi ha raccontato che lavorava per SpaceX (quelli di Elon Musk, coi razzi riutilizzabili), e in particolare nel team che si occupa di verniciare i razzi. Non abbiamo parlato a lungo, per cui mi è rimasta un po’ la curiosità: veramente serve un team di ingegneri per verniciare un razzo?

A quanto pare, è sempre servito.

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Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

E se il Nobel non lo vincessero le onde gravitazionali?

Aggiornamento del 3 ottobre 2017: Rainer Weiss, Barry C. Barish, e Kip S. Thorne hanno vinto il premio Nobel per la fisica per “i loro contributi fondamentali alla costruzione del rivelatore LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali” (Qui il comunicato del comitato per il Nobel). Se invece volete leggere perché pensavo si potesse ancora aspettare, continuate a leggere.

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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.

vescent.com

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

CC-BY-SA haru__q/flickr.com.

 

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