Dove finisce la temperatura

Tutti sappiamo cos’è la temperatura no? Cos’è caldo e cos’è freddo, e che le cose calde hanno una temperatura più alta. A guardarci bene, però, la temperatura è un casino. Ci sono anche diversi modi perché la sua stessa definizione, per quanto sembri intuitiva, vada all’aria.

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Encelado: cronache di ghiaccio e maree

Un’illustrazione di Cassini in picchiata sui geyser di Encelado. credit: NASA/JPL

Cassini terminerà la sua missione ventennale a settembre. E vuole proprio andarsene in bellezza. In una conferenza stampa ieri, la NASA ha annunciato che la sonda, sorvolando Encelado (una luna di Saturno) nel 2015, ha trovato indizi che l’oceano di questa luna ghiacciata abbia quasi tutti gli ingredienti che pensiamo servano per la vita.

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Il suono del silenzio

Pensate al posto più silenzioso dove siate mai stati. Ora pensate ad uno ancora più silenzioso. Che rumore fa? Difficile da immaginare, ma fortunatamente la fisica ci può aiutare, ma dobbiamo iniziare da come funziona il suono.

Altoparlanti, corde vocali e strumenti funzionano tutti con lo stesso principio: spingere e tirare l’aria ritmicamente. Le molecole di aria, poi, spingono e tirano le loro vicine, che spingono sulle loro vicine, e così via. L’aria quindi si stira in alcuni punti e si comprime in altri, creando un’onda di pressione. Così nasce un’onda sonora.

Molecules of air

Molecole d’aria che se ne stanno buone, in realtà, si muovono un sacco. CC-BY-SA Greg L, via Commons

Ma se non c’è nulla a muovere l’aria e produrre i suoni? Che rumore fa il silenzio? Esiste o è come chiedersi il colore di una cosa invisibile?

Le molecole d’aria si scontrano tra loro e vibrano di continuo. Semplicemente perché ha una temperatura, l’aria crea per forza microscopiche variazioni di pressione qua e là. Anche il posto più desolato, remoto e tranquillo ha un suono: il suono del silenzio.

Queste collisioni tra molecole sono piuttosto casuali ed indipendenti tra loro. Il suono che producono—il silenzio—è rumore bianco, quello che alcuni usano per rilassarsi o concentrarsi.

L’intensità del silenzio dipende da che finestra di frequenze consideriamo: più è sottile, meno tipi di scontri tra molecole troviamo, e più silenzioso apparirà il silenzio.

Secondo alcuni calcoli, nella fascia in cui gli umani sono più sensibili (attorno all’altezza della nostra voce), l’aria che se ne sta lì fa -20 decibel di rumore. Piuttosto silenzioso. Troppo per noi: è appena udibile per un gufo, un predatore super-specializzato nel silenzio, con un orecchio grande letteralmente quanto la sua faccia.

That big circle around an owl's face funnels sound: it's basically a giant ear. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

La faccia del gufo convoglia tutto il suono dall’ambiente: in pratica è un gigantesco orecchio. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

Se, invece, consideriamo tutta la gamma dell’udito umano, il silenzio si fa molto più rumoroso: circa 0 decibel, che è anche più o meno l’intensità più bassa che possiamo percepire, è circa 3 volte più flebile del rumore di un respiro..

Perciò, il nostro udito può gestire qualcosa appena appena più di silenzio totale, tanto quanto una conversazione—mille volte più rumorosa. Suona bene.

Per saperne di più
  • Come fanno 60 decibel ad essere mille volte più di zero? è che i decibel sono un po’ strani: qui c’è un riassunto di questa ed altre particolarità
  • Che vuol dire “rumore bianco”? Può essere di altri colori?
  • Secondo alcuni il silenzio totale rende pazzi. Agli scienziati non basta sentirlo dire. Devono provarci.

 

Foto copertina: CC0 Sam Halstead, via pixabay.

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

La notte delle stelle cadenti

CC-BY-NC-ND David Kingham, via Flickr

Agosto, con le sue serate miti, è un ottimo momento per uscire a guardare le stelle. E quando meglio delle sere intorno al 10, la famosa notte delle stelle cadenti?

L’universo ci regala questo spettacolo grandioso perché, tra luglio e agosto, la Terra attraversa la scia di detriti lasciati dalla cometa Swift-Tuttle. La cometa è ormai ben lontana ma, quando era passata di qua (relativamente vicino al Sole), si era scaldata, eruttando vapore, polvere e sassolini ovunque. Questa roba è rimasta come una scia dietro la cometa e, quando la Terra l’attraversa, i granelli le cadono letteralmente addosso. Mentre attraversano l’atmosfera, diventano incandescenti, lasciando tracce luminose: le stelle cadenti.

Ho sempre pensato fosse l’attrito con l’aria a generare il calore, ma ho recentemente imparato che non è così. Appena entrano nell’atmosfera, infatti, schiacciano una contro l’altra le molecole che incontrano. Per una famosa legge fisica, l’aria si scalda quando compressa, e granelli microscopici che arrivano a velocità pazzesche (migliaia di kilometri l’ora!), la comprimono tantissimo. L’aria, diventata rovente, scalda a sua volta la polvere fino a farla diventare incandescente.

La Terra attraversa i detriti della cometa Swift-Tuttle mentre orbita il Sole. La direzione del movimento e la prospettiva fanno sembrare che le stelle cadenti arrivino da un punto. CC-BY-SA Aanderson@amherst.edu/wikimedia

La Terra, in tutto questo, si sta muovendo lungo la sua orbita, perciò investe i detriti della cometa tutti nella stessa direzione. Di conseguenza, le stelle cadenti sembrano arrivare da un punto nel cielo (detto radiante), come la pioggia che sembra arrivare da un punto davanti a noi mentre guidiamo. Siccome per le stelle cadenti di agosto, questo punto è nella costellazione di Perseo, sono chiamate perseidi.

Ma non sono le uniche. La Terra attraversa altre comete durante l’anno, e vari detriti spaziali la colpiscono di continuo. In totale, secondo una stima, le stelle cadenti “ingrassano” la Terra di 15mila tonnellate l’anno.

Anche se è moltissimo materiale, la maggior parte sono granelli di polvere che si dissolvono nell’atmosfera, quindi non c’è da preoccuparsi. Quelli un po’ più grandi possono arrivare spettacolarmente a Terra (ricordate Chelyabinsk?). Cose ancora più grandi sono effettivamente pericolose. Ma sono rare, molti scienziati—particolarmente quelli della fondazione B612 (dal nome molto puccioso)—stanno lavorando ad una soluzione.

Quindi le stelle cadenti non sono veramente stelle. Però quando abbiamo dato loro il nome, chiamavamo stella più o meno qualunque lumicino in cielo, e queste almeno cadono davvero verso la Terra. Visto quanto ci sbagliavamo su altre cose, questa possiamo prenderla per buona.

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Foto copertina: CC0 DIE_UFOS/pixabay.com

Quanta acqua serve per spegnere il sole?

Provate a pensarci prima di leggere la risposta: si può risolvere il problema afa buttando un sacco di acqua sul Sole spegnendolo?

CC-BY alexisnyal via Flickr. Some rights reserved.

Ok, non è impossibile (ci arriviamo dopo, lasciatemi creare un po’ di tensione), ma prima ci sono diversi problemi da risolvere.

Primo problema: l’acqua non rimarrebbe liquida nel freddo vuoto cosmico. Anche un grosso secchiello congelerebbe in pochissimo tempo. E comunque tutta l’acqua evaporerebbe avvicinandoci alle migliaia di gradi del Sole, e il vento solare la spazzerebbe via.

Secondo problema: servirebbe tantissima acqua, una massa paragonabile a quella del Sole stesso, ma probabilmente di più. Già trovato il problema? Se il Sole ha abbastanza massa da iniziare la fusione nucleare, anche il nostro enorme secchiello ce l’avrebbe. Il secchiello imploderebbe, diventando a sua volta una stella. Ora abbiamo due soli. Ben fatto.

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Terzo e più importante problema: l’acqua spegne il fuoco tagliandogli l’ossigeno, ma al Sole non serve ossigeno perché non è un fuoco, come spiega questo divertente video di Vsauce e Minutephysics.

Aggiungere acqua, come spiega Michael nel video, darebbe solo altro carburante alla fusione nucleare e peggiorerebbe il caldo sulla Terra. Dal lato positivo, le stelle più massicce bruciano più in fretta. Potremmo scambiare 5 miliardi di anni di calura con qualche centinaio di milioni di anni di inferno. Ci si mette troppo.

Come promesso, un modo c’è: usare un idrante e buttare tantissima acqua (ma a quel punto va bene qualunque cosa) nel Sole quasi alla velocità della luce. Se fatto nel modo giusto, dissolveremmo interamente il Sole, risolvendo in modo rapido e definitivo il problema caldo.

Per farlo, quindi, dobbiamo solo trovare un sacco di acqua… e inventare un potentissimo cannone… e calcolare come fare… no dai, fa troppo caldo… non ho voglia!

 

Foto copertina: CC0 Olichel, via pixabay.com

Si possono prevedere i guasti di internet?

Per sapere quando usare i cubetti di ghiaccio che abbiamo in freezer non ci interessa come e perché l’acqua congela a zero gradi. Basta sapere se sono più caldi o più freddi di zero perché sappiamo che, al di sotto di quel punto critica, l’acqua è instabile e basta una minima spintarella perché congeli.

Anche l’infrastruttura di internet è una complicata rete di parti che interagiscono tra loro, un po’ come molecole d’acqua. E, come per l’acqua, anche per internet ci piacerebbe capire semplicemente in che stato è. Secondo uno studio pubblicato su Nature, per tutte le reti (internet, reti elettriche o addirittura interi ecosistemi) si può trovare una grandezza, una specie di “temperatura”, che ci dice quando diventano instabili.

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Credit: Nature publishing group

La figura qui sopra mostra l’idea di base: una “funzione di resilienza” raccoglie l’informazione sui rapporti tra le componenti del sistema: chi trasmette o riceve nella rete internet, impollinatori e fiori in un ecosistema, generatori e utenti di una rete elettrica. La funzione dipende da un unico parametro (quel βeff), la “temperatura” del sistema. Conoscendo questa funzione si capisce, indipendentemente dai dettagli, il punto critico della rete, come facciamo con la temperatura dell’acqua.

Il valore della “temperatura” dipende dalla topologia della rete—ovvero chi è collegato (e quanto strettamente) con chi— e cambia aggiungendo o togliendo elementi. Ieri, ad esempio, alcuni nodi TIM si sono guastati, cambiando la topologia della rete e la sua “temperatura” oltre il punto critico, causando il collasso.

Con questo metodo si potrebbero prevedere le condizioni in cui la rete crolla, e come renderla strutturalmente più stabile. Secondo i ricercatori, le reti più stabili non dipendono da singoli nodi vitali (non proprio una novità), hanno alcuni nodi molto connessi e altri meno, e hanno interazioni reciproche piuttosto che gerarchiche.

Non è che ora possiamo andare in giro a prevedere qualsiasi cosa, o che abbiamo risolto i blackout di internet. Anzitutto, anche se il sistema funzionasse, alcune modifiche strutturali sono impossibili o irragionevoli. Poi non è detto che funzioni sempre: questo è un lavoro teorico, che va ancora testato. Sembra andar bene nelle reti studiate nell’articolo, ma potrebbe non funzionare con altre.

 

Foto copertina: internet down 🙁, CC-BY-NC Kirk Lau, via Flickr. Some rights reserved.

Nebbia in Val Padana

Da nativo della bassa Pianura Padana, ho una discreta esperienza di nebbia. Solitamente non è un’esperienza piacevole, ma sapere cos’è le dà un po’ di poesia in più.

L’aria calda trattiene più umidità di quella fredda. In altre parole, in aria calda l’acqua rimane in forma di vapore più facilmente.

Quando una massa di aria calda e umida si raffredda rapidamente, l’acqua è costretta a condensarsi in goccioline. Succede all’umidissima aria della nostra doccia calda quando arriva sullo specchio. Succede alla calda aria estiva che sfiora il bicchiere col nostro aperitivo ghiacciato.

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Ma succede anche se l’acqua non ha una superficie su cui condensarsi. In quel caso le goccioline condensate restano sospese nell’aria.

Particolarmente d’inverno, poi, il terreno si può raffreddare rapidamente rispetto all’aria intorno—specie al tramonto, oppure all’alba (col sole che scalda in fretta l’aria). Così l’umidità negli strati d’aria più vicini al suolo si condensa e diventa nebbia. Strato dopo strato, la nebbia sale (sì, sale).

Col passare della giornata, il terreno si scalda e la zona in cui si può formare la nebbia sale di quota. Perciò la nebbia sale quando si forma e per diradarsi.

Alcune zone sono più soggette al fenomeno: quelle con aria umida e poco vento. Se ci avete vissuto, saprete che nei periodi di nebbia è sempre nuvoloso. Il motivo è che quelle nuvole non sono altro che la nebbia risalita.

Infatti la nebbia si forma esattamente come si formano le nuvole: aria calda e umida che si condensa quando si raffredda. Che è il motivo per cui la nebbia mi ha guadagnato in poesia: è una nuvola, solo molto bassa.

Foto: walking the embankment, CC-BY-NC-ND palmasco, via Flickr. Some rights reserved. sundown, CC-BY jenny downing, via Flickr. Some rights reserved.

Ogni fiocco di neve è unico

Nessun paesaggio natalizio è completo senza neve. Tanta neve. E ogni fiocco di neve è unico, lo sanno tutti! Ma come fanno ad essere tutti diversi?

La neve non è altro che piccolissimi cristalli di ghiaccio, che si formano nelle nuvole e restano ghiacciati finché non arrivano a terra.

L’acqua forma cristalli di ghiaccio attorno a microscopiche imperfezioni o particelle estranee, come granelli di polvere sospesi nella nuvola. Una volta che il nucleo iniziale del fiocco di neve si forma, microscopiche goccioline di acqua gli si aggiungono rapidamente.

Anche se sono tutti in qualche modo esagonali (per via della geometria delle molecole d’acqua), tutti i fiocchi di neve crescono in condizioni appena appena diverse. Qualcuno ha più goccioline vicino, qualcuno è in una zona una frazione di grado più calda. Tutti i fattori contano: la forma del cristallo è sensibile a tutto.

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CC-BY-NC Julie Falk/Flickr

In pratica, la forma di ogni fiocco di neve dipende dal caso, è come lanciare un dado con infinite facce. Non si sa mai cosa salta fuori e tutti i risultati sono diversi. Se vogliamo fare i fisici pomposi, la loro formazione è un processo stocastico.

Alla fine, ogni fiocco è un’istantanea delle precise condizioni in cui si è formato. Siccome è impossibile averle due volte esattamente identiche, ognuno fotografa una scena un po’ diversa.

Come le fotografie, però, anche i fiocchi di neve vengono bene solo se la scena resta abbastanza ferma. Così, se le condizioni in cui si forma il cristallo non rimangono relativamente costanti, tutto diventa più confuso. Nella maggior parte dei casi, i cristalli si aggregano in fiocchi più grossi, come piccole palle di neve, che si assomigliano di più tra loro.

Diversi o no, distinguere un fiocco dall’altro è comunque difficile.

 

Foto copertina: Snow leopards playing in the snow, CC-BY-ND Tambako The Jaguar, via Flickr. Some rights reserved.

Mille bolle blu. Ghiacciate.

Nel gelo canadese, un uomo fa una bolla di sapone, che si ghiaccia quasi immediatamente. Siccome è una figata, ci fa un bel video. Chissà se sapeva di tutta la fisica che stava filmando.

Iniziamo dalla cosa più semplice: perché la bolla si ghiaccia per ultima alla base? La risposta è la gravità. Gli strati esterni della bolla scivolano verso il basso, perciò la base ha più acqua da congelare e ci mette di più.

Ma allora perché si ghiaccia a pallini e non dalla cima in giù? Perché il freddo non è tutta la storia: serve un punto di partenza per fare i cristalli di ghiaccio. Se non lo trova, l’acqua rimane liquida anche sotto zero, ma è molto instabile e ghiaccia appena viene disturbata.

La bolla di sapone è piena di molecole di sapone (sorpresa!) sparse un po’ a caso, che fanno da appiglio per iniziare i cristalli di ghiaccio.

Perché la bolla congelata scoppia invece di rimanere lì? Nei commenti, l’autore dice di averla scoppiata lui, ma secondo me bastava aspettare.

Lui ha soffiato l’aria dentro la bolla, quindi la temperatura lì è circa 30 gradi. La pressione è inizialmente quella atmosferica, ma cala rapidamente col raffreddarsi dell’aria. Questo crea una differenza di pressione che sforza moltissimo la superficie irrigidita della bolla che prima o poi collassa.

Tutto questo in meno di trenta secondi. È proprio vero che ogni piccola cosa nasconde grandi meraviglie.

Foto: Frozen, CC-BY-NC-ND Benjamin Lehman, via Flickr. Some rights reserved.