Documentazione

STAGE DI FISICA
14 / 19 marzo 2011
Casa Alpina “Maria Nivis” di Torgnon (Ao)
LA FISICA IN GIOCO
GRUPPO FISICA IN CUCINA
Materiali a cura di:
Graziella Vecco
Isabella Mancianti
Irene Audrito
Margherita Redavid
INDICE
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
Olio & Company
Microonde
Maizena … questa sconosciuta
Luce e gas
Lenticchie curiose
La chimica del cibo
Gira che ti rigira
Caffè all’italiana
L’orologio alla frutta
Facciamoci due uova
Bollito o fritto?
Il motore a gatto imburrato
BIBLIOGRAFIA
Due liquidi che non si sciolgono uno dentro l’altro sono detti immiscibili.
Versate un po’ di olio e di acqua in un bicchiere, lasciate riposare e osservate cosa succede.
Anche l’olio e l’aceto sono immiscibili, ma i veri cuochi, però, riescono a mischiarli: quando
condiscono l’insalata non le versano sopra prima l’olio e poi l’aceto e il sale, ma preparano a parte
una salsina di olio, aceto e sale, chiamata vinaigrette e poi la usano come condimento. Come
fanno?
Per capirlo, realizzate un piccolo esperimento.
1. Mettete un po’ di aceto in un barattolo e aggiungete del sale. Chiudete il coperchio del
barattolo e agitatelo. Aggiungete anche un po’ d’olio senza agitare e lasciate riposare il miscuglio
per alcuni minuti. Cosa succede? …………………………………………………………………………………………… Secondo voi
pesa di più una tazza d’aceto o una d’olio?………………………………………………………………………
2. Chiudete il recipiente e scuotetelo piano una volta. Orologio alla mano, controllate quanto
tempo impiegano l’olio e l’aceto per separarsi.
3. Scuotete piano il recipiente un numero di volte sempre diverso e osservate ogni volta la
dimensione delle goccioline subito dopo aver agitato il recipiente. Compilate la seguente tabella :
n° di scuotimenti
tempo di separazione (s)
Agitare e sbattere che effetto hanno avuto sulla misura delle goccioline?…………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Dal punto di vista fisico l’immiscibilità di due liquidi è dovuta alla loro diversa polarità. Cerchiamo
di capire.
I legami tra le molecole dipendono dalla diversa elettronegatività degli elementi formanti i
legami cioè dalla diversa attrazione dei nuclei sugli elettroni dovuta alla diversa distanza degli
elettroni dal nucleo.
Più le dimensioni atomiche sono grandi, più la forza elettrostatica tra nucleo e elettroni
risulta……………………………………………… in accordo con la formula che fornisce il modulo della forza
elettrostatica tra due cariche puntiformi
F =……………………………………………………..
Con l’aiuto della tavola periodica in figura compilate la tabella sottostante:
1 olio
Elemento
Idrogeno
Ossigeno
Carbonio
Elettronegatività E
e la conseguente elettronegatività ΔE dei legami H-O e C-H.
ΔEidrogeno-ossigeno =………………………………………………….
ΔEidrogeno-carbonio =………………………………………………….
Se ΔE > 0,8-0,9 allora il legame è polare, altrimenti no.
Dire che il legame è polare di per sé non significa
affermare che la molecola è polare, perché la
polarità di una molecola dipende anche dalla
geometria della molecola cioè dalla disposizione
nello spazio dei suoi legami come potete capire
osservando la figura a fianco.
L’acqua comunque è polare mentre l’olio, che come
tutti i grassi contiene il legame C-H è apolare: visto che polare si lega con polare e apolare con
apolare possiamo capire perché acqua e olio, così come aceto e olio, sono liquidi immiscibili.
2 olio
L’esperimento iniziale dovrebbe avervi fatto capire come fanno i cuochi a preparare delle salsine
usando ingredienti immiscibili come l’aceto e l’olio: li sbattono fortemente insieme, in modo da
ottenere delle goccioline piccolissime, che rimangono disperse e impiegano molto tempo a riunirsi
tra loro.
Correttamente, si dice che creano una “emulsione”, cioè, secondo la definizione, una dispersione
colloidale di un liquido (fase dispersa) in un secondo liquido (fase disperdente).
Tra gli alimenti più comuni conoscete altri tipi di emulsioni?………………………………………………………………
……………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………
Nel latte ad esempio l’agente disperdente è il siero, a sua volta soluzione acquosa zuccherina,
mentre la fase dispersa è il grasso, nella maionese l’agente disperdente è …………………………………
mentre la fase dispersa è…………………………………………………………………………………………………………………………..
Tutti i grassi, contenendo il legame C-H, apolare, sono insolubili in acqua. Per quale miracolo
l’acqua del tuorlo d’uovo (circa la metà del suo peso) e l’olio rimangono mescolati tra loro nella
maionese? Come mescolare l’olio all’acqua? Unendovi delle molecole ”mezzane”, i tensioattivi, con
una estremità polare e una apolare che consentono di attirare da una parte acqua e dall’altra
l’olio.
Proviamo per credere. In un barattolo mettete acqua e olio in parti uguali riempiendolo fino circa
a metà. I due liquidi si separeranno nettamente: l’olio più leggero starà ……………….. e l’acqua
…………………. Ora tappate e agitate piano: per qualche istante acqua e olio sembreranno essere
miscelati ma, se lasciate riposare per qualche secondo, vedrete che cominceranno
immediatamente a separarsi e, pian piano, tutto tornerà come all’inizio. Ora aggiungete mezzo
cucchiaio di lecitina di soia (“magico” tensioattivo) nel barattolo. Tappate e agitate con forza e
osservate. Come mai le goccioline d’olio non si fondono in un’unica fase?
Se l’olio non galleggia e si emulsiona significa che le molecole tensioattive hanno rivestito le
goccioline d’olio impedendone l’aggregazione: questo poiché la testa idrofila dei tensioattivi
possiede una carica elettrica, e le goccioline di olio, risultando cariche dello stesso segno,
si………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Nella maionese quindi la convivenza di olii e acqua viene forzata da un terzo ingrediente, il
tensioattivo presenti nel tuorlo, che agisce da collante fra i due.
Chi ha il colesterolo alto in genere evita la maionese perché, oltre ad essere molto grassa,
contiene tuorli d’uovo che sono l’elemento più ricco di colesterolo. Secondo i ricettari, infatti,
per una tazza di maionese occorrerebbe un uovo. Siccome la quantità d’olio è in eccesso rispetto
agli altri ingredienti, esistono solo due limiti: la quantità di acqua nella quale si disperdono le
goccioline d’olio e la quantità di molecole tensioattive. Un semplice calcolo rivela che i
tensioattivi di un solo tuorlo d’uovo permettono di preparare diversi litri di maionese, se l’acqua
è presente in quantità sufficiente. Addirittura un gastronomo-scienziato americano, Harold
McGee, è riuscito a preparare fino a 24 litri di salsa con un tuorlo solo aggiungendo due o tre
cucchiaini d’acqua per ogni tazza d’olio. Per ottenere un’emulsione, bisogna infatti che l’olio possa
disporre di una sufficiente quantità d’acqua. Nella maionese tradizionale l’acqua si trova nel
tuorlo ma può essere sostituita in sua assenza da semplice acqua del rubinetto. Quando la
maionese impazzisce significa che l’acqua è diventata progressivamente insufficiente: bisogna
aggiungere un po’ d’acqua prima di aggiungere altro olio.
Quindi per gli usi domestici potete usare anche solo una goccia di tuorlo: è ampiamente
sufficiente per rivestire tutte le goccioline di olio.
3 olio
Ma c’è di meglio. Adesso che avete capito che la maionese è una dispersione di goccioline d’olio
nell’acqua, potete divertirvi a modificare gli ingredienti.
Dividetevi a gruppi e preparate diversi tipi di maionese. Vedrete che non è poi così facile come
sembra.
GRUPPO I: provate a montare una maionese tradizionale utilizzando un tuorlo, da mischiare
prima con un cucchiaino di aceto, poi con un pizzico di sale e infine da emulsionare lentamente
con olio da versare a filo nel miscuglio, sbattendo con una forchetta.
GRUPPO II: provate a montare una maionese tradizionale utilizzando però solo una goccia di
tuorlo, da mischiare prima con un cucchiaino di aceto, poi con un pizzico di sale e infine da
emulsionare con olio da versare a filo nel miscuglio, sbattendo con una forchetta.
GRUPPO III: provate a sostituire le molecole tensioattive del tuorlo con l’albume che è
anch’esso una soluzione di proteine tensioattive: aggiungete all’albume una goccia di aceto, un po’
di sale e, pian piano all’inizio, poi sempre più velocemente, aggiungete l’olio sbattendo con una
forchetta.
GRUPPO IV: provate a eliminare del tutto uovo e olio: in una ciotola ponete due cucchiai di
lecitina di soia che è un fosfolipide e quindi anche un grasso oltre che un tensioattivo, scaldate
un po’ d’acqua e versatela sulla lecitina in piccole quantità, lasciandola assorbire. Quando la
lecitina è sufficientemente ammorbidita, sbattetela con una forchetta aggiungendo ancora un po’
d’acqua tiepida e creando una leggera schiuma, in cui le innumerevoli bollicine d’aria nuotano
nell’acqua e sono circondate da un sottilissimo strato di lecitina; basta arricchirla con sale e pepe
ed ecco un’altra maionese.
Confrontate i risultati e annotate le vostre osservazioni su consistenza, colore, odore.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Probabilmente vi sorge spontanea una domanda. Possiamo chiamare tutte queste salse maionese?
Per rispondere scientificamente bisognerebbe dare la definizione di maionese: se con il termine
maionese si intende un’emulsione fredda di olii nell’acqua allora tutte le preparazioni sono
maionese, se invece il gusto di tuorlo crudo è importante allora solo la maionese tradizionale è
legittima.
Il “buono da mangiare” nell’opinione comune non è oggetto di scienza ma in realtà la vecchia idea
di conciliare la scienza in cucina e l’arte di mangiar bene non è stata abbandonata e da pochi anni
una neonata disciplina che si chiama Gastronomia Molecolare se ne sta occupando e procede
spedita verso il suo scopo: legare le caratteristiche organolettiche (ovvero sensoriali) del cibo a
semplici parametri fisici e chimici che ne descrivano le proprietà globali, attraverso l’analisi delle
materie prime e dei processi di cucina. E tutto questo non serve solo a capire quel che stiamo
mangiando ma meglio ancora a progettare piatti nuovi……Succede realmente
4 olio
nel ristorante del Grand Hotel Villa Serbelloni di Bellagio, in provincia di Como dove collaborano
un fisico e un grande cuoco.
L’olio ha davvero proprietà particolari.
Riempite un bicchiere con olio di semi di soia. Immergetevi dentro un oggetto di vetro pirex e
guardate il bicchiere da una certa distanza. Cosa notate?…………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Provate con oggetti diversi, per esempio biglie trasparenti, lenti e articoli di vetro vari.
Prendete un contagocce, immergetelo nel bicchiere e aspirate l’olio nella cannuccia. Cosa
succede?………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Se vi piace fare delle dimostrazioni
spettacolari,
immergete
nell’olio
una
provetta. Poi di fronte al pubblico, prendete
un’altra provetta, rompetela e fate cadere i
pezzi nell’olio. Infine con una pinza estraete
dall’olio l’altra provetta intatta.
MAGIA!
L’OLIO HA AGGIUSTATO LA PROVETTA!!
Cerchiamo di capire perché gli oggetti immersi nell’olio di semi di soia non sono più visibili.
Quando
una
luce
incontra
una
superficie
di
vetro
in
parte
si
riflette,
cioè……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………e
in parte si …………………………………………………………………………………………………………………………………………………
cioè……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……………
Siamo in grado di vedere gli oggetti di vetro proprio perché questo riflette la luce e in parte la
rifrange.
Nel passare da aria a vetro la velocità della luce…………………………………………………………………………….…….
ed è proprio questa variazione di velocità che causa i fenomeni della riflessione e della
rifrazione perché più piccola è la variazione di velocità tra due mezzi, minore saranno sia la
riflessione che la rifrazione sulla superficie che separa i due mezzi. Se addirittura un oggetto
trasparente è circondato da un mezzo che ha il suo stesso indice di rifrazione, non hanno luogo
né riflessione, né rifrazione e l’oggetto risulta invisibile.
Ogni materiale ha un indice di rifrazione dato da n =…………………………………. L’olio di semi di soia ha
quasi lo stesso indice di rifrazione del vetro pirex (n = 1,474) e questo è il motivo per cui le
immagini degli oggetti immersi risultano evanescenti.
Anche alcuni sciroppi hanno un indice di rifrazione vicino a quello del vetro e diluiti con acqua
possono uguagliare l’indice di rifrazione di alcuni tipi di vetro.
5 olio
Le microonde sono un tipo di onde elettromagnetiche con
lunghezza d’onda, compresa tra 10 cm e 1 mm cioè tra 10……… e
10……… metri. Poiché esse riescono a bucare la ionosfera, sono
impiegate nelle comunicazioni con i satelliti. Sulla Terra sono
utilizzate per le comunicazioni telefoniche a lunga distanza e per i
telefoni cellulari.
Un’altra applicazione tecnologica, che sicuramente conoscete, è il
forno a microonde.
Le sostanze organiche dei cibi contengono, in misura maggiore o minore dell’acqua
Essendo la molecola d’acqua polare essa risente dell’azione delle onde elettromagnetiche: il
campo elettrico dell’onda fa vibrare le molecole d’acqua contenute all’interno del cibo, cedendo
loro una parte dell’energia e intensificandone il moto di agitazione termica con conseguente
aumento della temperatura. Il calore poi si propaga per conduzione all’interno del cibo
provocandone la cottura e non si propaga attraverso sostanze isolanti e prive d’acqua, che
risultano perciò trasparenti alle microonde e rimangono perciò fredde.
Crocettate le sostanze dell’elenco che secondo voi, inserite in un forno, assorbono, in quantità
significativa, la radiazione elettromagnetica:
piatto, pasta, mela, polistirolo, gatto, ghiaccio, bicchiere, sottilette, ……
Ad esclusione del gatto potreste inserire i vari materiali nel forno e provare. Per esaminare bene
il comportamento del ghiaccio, procuratevi dei contenitori di polistirolo e un termometro
digitale.
Riempite uno dei contenitori, che fungerà da rilevatore, con 150 ml di acqua del rubinetto. Un
altro contenitore contenente 150 ml di acqua va sistematelo nel freezer per un po’ di tempo per
ottenere il ghiaccio. Dovrete inserire nel forno il rilevatore contenente l’acqua e il campione,
contenente ogni volta un diverso materiale come in tabella e fare funzionare il forno per un
minuto ogni volta, alla potenza di 560 W.
Quando il forno è in funzione, le microonde generate saranno assorbite da tutti gli oggetti
inseriti ma, tanto più il campione è trasparente alle microonde, tanto maggiore sarà la frazione
di energia assorbita dal rilevatore: quindi la variazione di temperatura del rilevatore ci darà
informazione sulla trasparenza del materiale alle microonde.
1 microonde
La temperatura del rilevatore dovrà essere misurata subito prima e subito dopo il riscaldamento.
Procedete con le misure e compilate la seguente tabella .
campione
Temperatura
iniziale acqua
Ti (°C)
Temperatura Tf - Ti
(°C)
finale acqua
Tf (°C)
nessun secondo
contenitore
II contenitore
vuoto
II contenitore
con 150 ml di
acqua
II contenitore
con ghiaccio
Cosa deducete dai dati?…………………………………………………………………………………
…………………………………………….................................................................................
In quale caso la temperatura del rilevatore sale maggiormente?……………………………
…………………………........................................................................................................
In quale caso invece la temperatura del campione sale di meno?……………………… ………
………………………..............................................................................................
Qual è il campione più assorbente?……………………………………………………………………………………………………………....
Qual è il campione meno
assorbente?……………………………………………………………………………………………………….........
Il ghiaccio fonde durante il riscaldamento nel
forno?…………………………………………………………………………............................................
Il materiale, per assorbire le microonde, deve essere polare ma anche contenere molecole in
grado di ruotare. Il ghiaccio quindi è molto più trasparente alle microonde poiché nel ghiaccio le
molecole sono bloccate nella loro posizione a causa del reticolo cristallino e pertanto non possono
ruotare.
Il ghiaccio può assorbire pertanto solo una minima quantità di microonde e questo è il motivo per
il quale è possibile usare il forno per scongelare i cibi. Attenzione però agli effetti indesiderati:
può capitare che le parti del cibo che scongelano prima, si riscaldino in fretta a causa della
presenza dell’acqua: pertanto la cena può risultare scotta in alcune parti e ancora congelata in
altra!
Possiamo utilizzare per rilevare il campo elettromagnetico all’interno del forno una lampada ad
fluorescenza.
Togliete dal forno il piatto rotante e capovolgete sul fondo la teglia di pirex in modo che la
lampada non ruoti durante l’esperimento.
Proteggete gli elettrodi della lampada con nastro isolante. Perché?
Ponete sulla teglia la lampada e al centro un contenitore con acqua per assorbire parte
dell’energia e non danneggiare il forno e la lampada.
Accendete il forno alla potenza minima. Che cosa osservate? Quali trasformazioni di energia
avvengono?…………………………………………………………………………………………………………………………………….…….............
2 microonde
Appena la lampada si riaccende spegnete il forno, ripetete l’esperimento cronometrando per
quanto tempo sta accesa e per quanto sta spenta prima di riaccendersi e riportando i dati in
tabella. Aumentate anche la potenza del forno senza superare i 240 W.
Potenza (W)
∆taccensione (s)
∆tbuio (s)
∆ttotale (s)
osservazioni
Che cosa cambia? ……………………………………………………………………………………
Qualcosa resta costante?…………………………………………………………………………………………………………………
Secondo voi è variando la potenza del forno si varia in realtà la potenza istantanea o la potenza
media? Perché?…………………………………………………………………………………………………………………
Perché i forni a microonde sono dotati di un piatto rotante?
Distribuite sul fondo della teglia messa al posto del piatto rotante un leggero strato uniforme di
formaggio grana grattugiato e mettete in funzione il forno per poco tempo. Che cosa
osservate?…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Quale tipo di campo elettromagnetico c’è all’interno del forno?
……………………………………………………….................................
…………………………………………………………………………………………………………………
Teoricamente si potrebbe valutare approssimativamente la lunghezza d’onda delle microonde?
Come?.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……
………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….............
In realtà i forni moderni sono costruiti in modo da evitare che l’energia sia concentrata solo in
alcuni punti, però quando si fanno scaldare dei liquidi nel forno a microonde, in particolare se
sono stati utilizzati contenitori piuttosto alti, è buona abitudine mescolare il tutto prima di
servire.
Per chiarirvi le idee, provate a fare il seguente esperimento utilizzando una bottiglietta di vetro.
All'inizio di ogni prova riempitela di acqua del rubinetto, di cui annoterete la temperatura, e
mettetela nel forno a microonde per 1.5 minuti alla massima potenza posizionandola:
•
•
•
•
al centro del piatto rotante
lateralmente sul piatto rotante
in un angolo del forno (fuori dal piatto rotante)
al centro del forno, dopo aver rimosso il piatto rotante.
Per ciascuna delle prove sopra elencate, utilizzando i termometri a sonda che avete a
disposizione, verificate se la temperatura dell'acqua è omogenea in tutto il liquido, annotando
nella tabella seguente la temperatura dell'acqua in superficie e sul fondo della bottiglietta.
3 microonde
Posizione bottiglia
Temperatura in superficie (°C)
0B
Temperatura sul fondo (°C)
Provate a ripetere l’esperimento, variando la potenza o il tempo di riscaldamento dell’acqua.
Notate delle differenze rispetto alla prima situazione esaminata? Ci sono dei casi in cui la
temperatura dell’acqua al termine della fase di riscaldamento è omogenea o in cui la differenza
di temperatura tra la superficie e il fondo del recipiente è
minore?…………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….......
..............................................................
Sapreste darne una spiegazione?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..………
……………………………………………..
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..………
……………………………………………..
Nei casi in cui la bottiglietta non viene spostata all’interno del campo delle microonde, sono
maggiormente evidenti le differenze di temperatura all’interno del liquido: in particolare,
posizionare la bottiglietta al centro del piatto rotante (che è ciò che la gente in generale fa), non
favorisce un riscaldamento omogeneo del liquido, dato che il contenitore mantiene una posizione
pressoché costante nel campo delle microonde.
E’ sicuro usare il forno a microonde per
sterilizzare?………………………………………………………………………….………………………………......
Nelle norme di sicurezza e istruzioni d’uso dei forni a microonde viene indicato:
Tenere puliti lo sportello e le guarnizioni e controllare che il dispositivo di chiusura, le
cerniere e l’involucro non siano danneggiati.
Secondo voi perché?
........................................................... ......................................... ...................................
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………….…………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………
Avete a disposizione uno strumento per misurare il campo elettrico; scegliete dei punti
significativi all’esterno del forno e misurate il campo elettrico con il forno spento e con il forno
acceso per pochi secondi alla potenza massima.
Ricordatevi di mettere nel forno un contenitore riempito d’acqua per non danneggiare il forno
facendolo funzionare .
Completate la seguente tabella indicando anche l’unità di misura del campo elettrico:
4 microonde
Posizione
Campo E (…….)
Forno spento
Campo E (…….)
Forno acceso
Quali sono i punti più critici ?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Il Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri 8 luglio 2003 fissa i limiti di esposizione, i
valori di attenzione e gli obiettivi di qualità per la protezione della popolazione dalle esposizione
a campi elettrici, magnetici ed elettromagnetici generati a frequenze comprese tra 100 Hz e
300 GHz.
In tale decreto sono indicati per l’intensità efficace del campo elettrico E i seguenti valori:
limiti di esposizione
3‹ f≤ 300 GHz
Valori attenzione
0,1 MHz‹f ≤300 GHz
40 V/m
Obiettivi di qualità
0,1 MHz ‹f ≤ 300 GHz
6 V/m
6 V/m
Verificate sul libretto di istruzioni qual è la frequenza del forno a microonde utilizzato …………e
traete le conclusioni…………………………………………………..............................
………………………………………………………….......................…………….............................
(nelle tabelle del DPCM sono indicati anche i valori dell’intensità del campo magnetico e della
densità di potenza)
5 microonde
L'amido di mais, comunemente detto maizena, è una farina bianca che si ottiene da una
HU
UH
lavorazione del granturco.
Il principale utilizzo dell'amido di mais è quello gastronomico, soprattutto per preparare alimenti
per persone celiache, in sostituzione della farina: infatti, le persone intolleranti al glutine non
HU
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HU
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HU
UH
HU
UH
sono intolleranti alle proteine del mais.
HU
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La maizena comunque, al contrario di quanto si potrebbe pensare, è anche utilizzata per alimenti
normali, e non solo per celiachi. La polenta preparata con maizena, ad esempio, per la maggior
parte è destinata a persone senza problemi di intolleranza alimentare.
La maizena viene anche usata in combinazione con altri alimenti per migliorarne alcune qualità, ad
esempio come addensante.
L'amido di mais, oltre al più elevato uso di cucina, ha anche usi cosmetici. Dopo alcune lavorazioni,
viene usato soprattutto come crema per le mani con effetti ammorbidenti ed emollienti e anche
come maschera sbiancante per la pelle.
L'amido di mais trova anche usi poco diffusi in campi diversi dalla cucina e dalla cosmetica: per
migliorare l'impasto della carta, come ingrediente in alcuni farmaci, per la produzione di
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sapone, come lubrificante, per la produzione di birra (in parziale sostituzione del più
tradizionale orzo, dato il suo costo minore).
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Ma cosa c’entra la maizena con il nostro stage? In effetti la maizena ha un comportamento fisico
piuttosto particolare: se mescolato all'acqua, sarà liquido finche non verrà esercitata una
pressione, e diventerà solido se sottoposto a una pressione o a un movimento veloce.
È sufficiente provare! Ecco la ricetta.
Procuratevi:
una scatola di maizena anche la fecola di patate andrà benissimo se non trovate l’amido di mais,
un recipiente capiente, due bicchieri d’acqua tiepida, un cucchiaio
Versate un po’ dell’amido di mais (o fecola di patate) nel recipiente, fino ad ottenere una
montagnola. Aggiungete pian piano l’acqua tiepida e mescolate lentamente, gli amidi normalmente
sono
sostanze
molto
igroscopiche,
perciò
assorbiranno
velocemente
l’acqua.
Non appena otterrete una “pastella” potrete aggiungere un’altra quantità di amido uguale alla
precedente. Giunti a questo punto dovrete testare il risultato ottenuto, con un metodo molto
semplice. Provate a tirare un pugno bello forte: se il liquido schizza avete messo troppa acqua, se
invece resta nel recipiente senza neanche macchiarvi le mani, allora avete dosato bene gli
ingredienti. La percentuale corretta dovrebbe essere circa 34 % di acqua e 66 % di maizena.
Attenzione, perché, TRATTANDOSI DI UNA SOSPENSIONE, DOPO QUALCHE ORA IL FLUIDO PERDERÀ LE
SUE PROPRIETÀ, l’amido si depositerà sul fondo e l’acqua resterà nella parte superiore.
1 maizena
Ma basta una rimescolare tutto per conferire nuovamente al fluido le proprietà non lineari di cui
godeva in precedenza.
Provate poi a immergere un dito lentamente. Cosa accade?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Provate ora a immergere il dito ma dando un colpo forte. Cosa accade ora?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dopo la prima sensazione di stupore cerchiamo di capire.
Mescolato con acqua il miscuglio presenta le caratteristiche di un fluido non newtoniano,
ovvero quella di non avere una viscosità definita.
HU
UH
Cerchiamo di capire meglio. Le grandezze fisiche che caratterizzano e differenziano i fluidi
sono: COMPRIMIBILITA, DENSITA’, VISCOSITA’.
La comprimibilità indica la variazione di volume, a temperatura costante, dell'unità di volume di
un fluido sottoposto a una pressione unitaria: α = ∆V/Vp e ha come unità di misura nel SI
………………………………………………………………………………………….....
…………………………………………………………………………..……....................................
I gas hanno valori apprezzabili di α in funzione della pressione e temperatura mentre i liquidi
presentano valori molto piccoli poco influenzati della pressione e temperatura.
Questo porta a considerare i liquidi come fluidi …………………………………………………, i gas come fluidi
………………………………………………..: la maggior parte dei problemi di trasporto dei fluidi nella industria
alimentare riguardano infatti i liquidi.
La densità ρ, indica il rapporto tra…………………………………………………………….........
e ha come unità di misura nel SI …………………………………………………………………………………………………………….
Anche la densità varia in funzione della pressione e della temperatura, di molto per i
………………………………………………………………. di poco per i……………………….......
I liquidi assumono la forma del recipiente nel quale sono versati perché le particelle che lo
compongono scorrono l'una sull'altra essendo minimi gli attriti fra di esse.
La resistenza che contrasta lo spostamento di particelle vicine rappresenta la viscosità o attrito
interno del liquido, ovvero la limitazione alla libertà di movimento delle particelle costituenti i
fluidi.
La viscosità varia al variare della temperatura alla quale si trova il fluido, in maniera
inversamente proporzionale.
2 maizena
I gas e i liquidi si differenziano anche per il diverso grado di viscosità.
La viscosità è piccola nei gas e piuttosto grande nei liquidi.
Esistono due modi per esprimere i valori di viscosità: viscosità dinamica e viscosità cinematica,
ma noi ci occuperemo in questa sede solo di viscosità dinamica.
Si consideri una massa liquida in quiete e la si pensi formata da tanti strati orizzontali paralleli.
Come analogia, si pensi a un mazzo di carte da gioco. Applicando
una forza alla prima carta, questa comincia a muoversi con una
certa velocità. La carta immediatamente sotto viene trascinata
con una velocità leggermente più bassa, perché frenata dalla carta
immediatamente inferiore e, a sua volta, trascina la terza carta,
che si muove con velocità ancora inferiore e così di seguito per
tutte le altre.
La viscosità dinamica μ rappresenta il fattore di proporzionalità lineare tra la forza di attrito
tangenziale e il gradiente di velocità secondo la legge di Newton:
F = μA
Δu
z
dove F = forza resistente allo scorrimento di due strati adiacenti di fluido, A = superficie di
contatto di due strati adiacenti ∆u= differenza di velocità tra due strati e z = distanza tra due
strati.
L'unità di misura di μ nel SI è ………………………………………………………………………………………………………………....
I fluidi newtoniani sono fluidi che presentano una forza resistente allo scorrimento indipendente
dal modo con cui si sollecita il sistema, ovvero il valore della viscosità dinamica rimane costante
al variare dell’intensità della forza applicata o del tempo per il quale essa viene applicata. Per
farla ancora più semplice si tratta di fluidi che continuano a scorrere indipendentemente dalla
forza che agisce su di essi. Prendete ad esempio l’acqua: se la mettete in un barattolo e la girate
velocemente con un cucchiaio non muterà la sua resistenza all’aumentare della velocità con cui
girate.
Esempi di fluidi newtoniani sono le sostanze ad elevata percentuale di acqua, ad esempio bevande
(tè, caffè, birra, vino), latte intero, scremato, concentrato,…
Ma in realtà sono molto numerosi i fluidi non newtoniani cioè i liquidi che non seguono la legge di
Newton e variano il valore della loro viscosità al variare della forza applicata e del tempo di
applicazione della forza.
Infatti i parametri indipendenti che influenzano la viscosità di un liquido sono struttura chimica
(è ciò che influenza principalmente la viscosità) temperatura (ci sono addirittura alcuni oli
minerali la cui viscosità varia del 10% quando la temperatura varia di 1 °C), gradiente di velocità
di scorrimento ∆u/z (influenza fortemente la viscosità, che può sia diminuire che crescere
all'aumentare di ∆u/z), pressione (un aumento di pressione aumenta la resistenza allo
scorrimento viscoso e “incredibilmente” tempo.
3 maizena
Per alcune sostanze, soprattutto dispersioni (sospensioni, emulsioni) la viscosità dipende dalla
«storia reologica» precedente, cioè dal tempo trascorso in condizioni di scorrimento o di riposo
prima della misura.
I fluidi puramente viscosi, il cui comportamento reologico non cambia con il tempo, ma solo con
l’intensità della forza applicata, si suddividono in pseudoplastici nei quali la viscosità diminuisce
al crescere della forza applicata, come ad esempio i succhi e le puree di frutta, i vegetali
concentrati, la crema di latte, dilatanti nei quali la viscosità aumenta al crescere della forza
applicata, come ad esempio le sospensioni di amido e gomma arabica, plastici che hanno bisogno
di uno sforzo iniziale di taglio allo scorrimento perché il sistema ha una struttura tridimensionale
resistente per cui, per poterli mettere in moto, richiedono l'applicazione di una forza tale da far
collassate la struttura, come ad esempio la cioccolata fusa, fondente od al latte, il tomato ketchup, la mostarda ed i concentrati proteici di soia.
Tra i fluidi con viscosità dipendente dal tempo ricordiamo invece succhi concentrati vegetali o di
frutta torbidi, mieli grezzi, latte condensato zuccherato, maionese, albume d’uovo e crema
pasticcera.
Tornando al nostro esperimento: se prendete un fluido non-newtoniano e lo mettete in un
barattolo, riuscirete a girare il cucchiaio finché vi muovete lentamente. Non appena aumenterete
la velocità, il fluido diventerà estremamente duro fino ad impedire il movimento del cucchiaio, ma
tornerà immediatamente liquido non appena cesserete la rotazione… Interessante vero? Vi
vengono in mente delle possibili applicazioni utili?
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Pensate ad un giubbotto anti-proiettile pieno di un fluido non-newtoniano: sarebbe morbido e
deformabile in condizioni normali, ma diverrebbe istantaneamente duro (nella zona di
applicazione della forza) al passaggio del proiettile, fermandolo e tornano subito dopo al suo
stato liquido.
A tal proposito su Youtube c’è una nutrita lista di divertenti filmati sull’argomento.
HU
UH
HU
UH
Tra le proprietà sorprendenti dei fluidi possiamo citare anche la tensione superficiale.
Provate a immaginare quante gocce d’acqua possono stare su una moneta da 20 centesimi. Ognuno
di voi faccia una previsione e poi proviamo…………
4 maizena
Esistono solidi cristallini che, quando vengono premuti lungo un asse, si polarizzano
elettricamente cioè manifestano cariche elettriche sulle facce premute. Per la verità il
fenomeno non si verifica solo in caso di compressione ma, in generale, quando il materiale è
assoggettato ad uno sforzo meccanico. L’origine della piezoelettricità sta nella particolare
struttura del reticolo cristallino che fa sì che, in caso di sforzo, l’insieme dei nuclei delle
molecole si deformi rispetto alle corrispondenti nubi elettroniche, spostando così leggermente il
centro delle cariche positive da quello delle cariche negative.
Meccanismo della polarizzazione piezoelettrica nel quarzo:
a) reticolo elementare in assenza di azioni esterne; b) reticolo in trazione; c) reticolo compresso
Se alle due facce di una lastrina di materiale piezoelettrico, si collegano due elettrodi la
polarizzazione si manifesta sotto forma di…………………………………………………… fra di essi.
Questo suggerisce immediatamente un’applicazione dei materiali piezoelettrici come convertitori
di sforzi meccanici in segnali elettrici, tanto più che la d.d.p. risulta proporzionale allo sforzo.
Conoscete qualche applicazione? …………………………….....
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… La
sensibilità dei materiali piezoelettrici può essere estremamente varia, in alcuni casi portando con
pressioni modeste a d.d.p. dell’ordine di centinaia di migliaia di volt. È questo il caso dei materiali
piezoelettrici utilizzati in certi accendigas a scintilla: basta la pressione delle dita per generare
le altissime d.d.p. tali da provocare lo scoccare della scintilla.
Ed è proprio la scintilla prodotta da un accendigas che noi utilizzeremo nel nostro esperimento.
Vi ricorderete che l’esistenza delle onde elettromagnetiche è stata teorizzata da
……………………………………………………. partendo dalle sue equazioni dell’elettromagnetismo. E’ quindi
possibile secondo la teoria trasferire attraverso i campi elettrico e magnetico energia
elettrica e magnetica utilizzando circuiti oscillanti e il trasferimento avviene, anche nel vuoto.
1 lucegas
La molla, nel caso dei due pendoli e l’aria nel
caso dei due diapason sono gli elementi con cui
avviene il trasferimento di energia dall’uno
all’altro.
Nel caso di circuiti oscillanti cioè circuiti LC costituiti da un condensatore e da una bobina si ha
trasformazione di energia elettrica all’interno del condensatore in energia magnetica all’interno
della bobina e accoppiando due circuiti, anche nel vuoto, come in figura, sarà il campo a svolgere
una funzione analoga a quella della molla che collega due pendoli che oscillano accoppiati e
dell’aria tra due diapason.
Quindi in base alla teoria di Maxwell il campo elettromagnetico acquista un significato fisico e
non è più una pura astrazione matematica.
Se si vuole però realizzare un accoppiamento
elettromagnetico (con trasferimento di energia) tra due
circuiti oscillanti molto lontani è necessario che
l’elemento induttivo e quello capacitivo assumano una
forma aperta (antenna a dipolo) come in figura e che
antenna trasmittente e antenna ricevente siano simili.
2 lucegas
Fu il fisico tedesco Heinrich Hertz nel 1886 a dare un sostegno sperimentale alla teoria di
Maxwell: vent’anni dopo la previsione teorica di Maxwell, Hertz riuscì a rivelare le onde
elettromagnetiche durante una lezione al Politecnico di Karlsruhe usando un dispositivo
sperimentale formato da un oscillatore che fungeva da trasmettitore e da un rivelatore. Le
scariche dell’oscillatore producevano campi elettrici e magnetici variabili nel tempo che si
propagavano nello spazio, inducendo quindi analoghi campo nel
rivelatore.
Per eccitare il dipolo in modo che emettesse onde
elettromagnetiche fu necessario un generatore di tensione
elevata e alta resistenza, come un rocchetto di Rumkhorff, che
potesse caricare il condensatore costituito dai due semidipoli e un
interruttore che cortocircuitando il condensatore desse origine a
un treno di oscillazioni smorzate.
Nel realizzare il suo oscillatore Hertz in realtà, invece di usare un
interruttore per innescare le oscillazioni nel dipolo, utilizzò la
scarica elettrica che si veniva a determinare tra i due semidipoli
quando la tensione tra essi raggiungeva un certo valore.
Il dispositivo trasmettitore
invece del rocchetto di
Rumkhorff può utilizzare un cristallo piezoelettrico che
opportunamente sollecitato è in grado di generare tensioni
dell’ordine di 10 KV.
Se un dipolo analogo a quello trasmittente si viene a trovare nel campo elettromagnetico
generato dal trasmettitore entra in oscillazione.
Nel dispositivo di Hertz i due semidipoli erano così vicini che tra di essi scoccavano delle piccole
scintille visibili al buio.
3 lucegas
Un dispositivo più pratico usato da Marconi nei suoi primi
esperimenti è il coherer, formato da una piccola ampolla di vetro
contenente della limatura metallica e due elettrodi alle estremità.
All’arrivo dei treni d’onda emessi dal trasmettitore le piccole
scintille che scoccavano tra i granuli di limatura la compattavano e
la rendevano conduttrice.
Inserito quindi il dispositivo in un circuito si poteva azionare un
relais o, come nel nostro caso, accendere una lampadina.
E ora a voi!
Costruite un semplice circuito come quello nella figura
sovrastante in cui la lampadina e il coherer, tra loro collegati in
serie, siano collegati ai poli di una pila.
Costruite ora il dipolo ricevente. Prendete due fili elettrici abbastanza lunghi, collegateli agli
estremi del coherer e distendeteli orizzontalmente sorreggendoli con le mani o attaccandoli
con delle mollette a un filo di supporto. Così avete montato un’antenna!
Ora occorre costruire l’antenna trasmittente. Togliete il coperchio all’accendigas e collegate i
due elettrodi a fili conduttori. Ponete le estremità dei fili alla distanza di qualche millimetro:
premendo il pulsante dell’accendigas dovreste vedere tra le terminazioni una scintilla.
Ecco,l’antenna trasmittente è fatta!
Succede qualcosa avvicinando il dispositivo al circuito con la lampadina e premendo il pulsante
dell’accendigas?………………………………………………………………………………
………………………………………………………......................................................................
Collegate allora i due elettrodi dell’accendigas a fili elettrici abbastanza lunghi, distendete i fili
del trasmettitore orizzontalmente e parallelamente a quelli del ricevente in modo che
l’accendigas non sia troppo lontano dal circuito.
Premete il pulsante dell’accendigas e…..FIAT LUX!
Provate a variare la distanza tra trasmettitore e ricevente.
4 lucegas
I fenomeni che si verificano alla superficie di separazione tra due fasi diverse (ad esempio ariaacqua, aria-solido, acqua-olio, ecc.), sono di fondamentale importanza in fisica, chimica, biologia e
nelle applicazioni tecnologiche. In questo esperimento cercheremo di capire qualche cosa in più
sul fenomeno detto tensione superficiale.
Ecco, per cominciare, un piccolo ripasso.
Consideriamo un liquido contenuto in un recipiente (figura a sinistra): esso è costituito da
molecole che, in media, sono distribuite simmetricamente attorno a ciascuna altra molecola; il
risultato è che ogni molecola all’interno del liquido è soggetta a forze di attrazione, esercitate
dalle altre molecole che la circondano, bilanciate tra loro. Si può quindi dire che le forze
applicate alla singola molecola hanno risultante nulla.
Per le molecole del liquido che si trovano in superficie (figura a destra), la situazione è diversa:
esse subiscono solo l'interazione con le molecole inferiori (supponiamo di trascurare le
interazioni con l'aria e le pareti del recipiente). La risultante delle forze applicate è quindi
diversa da zero ed è diretta verso l'interno del liquido. Le molecole che costituiscono lo strato
superficiale del liquido sono quindi attirate verso l'interno e tendono così ad occupare la minima
superficie possibile; il risultato di questa attrazione è che la superficie di un liquido si comporta
come una membrana elastica in tensione. Questa membrana ha lo spessore del raggio d'azione
delle forze intermolecolari e la tensione a cui è sottoposta prende il nome di tensione
superficiale.
La tensione superficiale è definita come il rapporto tra la forza agente sulla linea di contatto e
la lunghezza della linea di contatto.
1 lenticchie
Ora proviamo a costruire un modello che ci permette di riflettere su questi concetti e lo
facciamo con due ingredienti che possiamo trovare in cucina e nella dispensa: acqua e lenticchie!
Mettiano in un recipiente un po’ di acqua e qualche lenticchia a bagno.
Che cosa osservate?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Le lenticchie si comportano diversamente se vengono lasciate cadere dall’alto nell’acqua o se
vengono“appoggiate”sull’acqua?......................................................................................................................
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………La
densità della lenticchia è maggiore di quella dell’acqua (circa 1,2 g/cm3): perciò le lenticchie,
lasciate cadere dall’alto nell’acqua, affondano.
Ma torniamo alla tensione superficiale.
La tensione superficiale dell’acqua, τ, è di circa 0,07 N/m a temperatura ambiente.
Un oggetto, come una lenticchia, che viene appoggiato sulla superficie dell’acqua sente perciò, su
ogni elemento di lunghezza dl della curva che delimita la superficie a contatto con l’acqua, una
forza dF = τ ⋅ dl diretta verso l’alto che forma un angolo α con l’orizzontale.
Approssimiamo la lenticchia a un cilindretto di spessore w e raggio r, come in figura, e, per
ottenere la componente delle forza totale risultante in direzione verticale dovuta alla tensione
superficiale, integriamo su tutta la circonferenza di base.
Avremo: Fτ = 2π rτ senα
Fτ
w
r
dF
α
Fp
Trascurando la spinta di Archimede dovuta alla parte immersa in acqua della lenticchia, quale
sarà la condizione di galleggiamento per effetto della tensione superficiale? Provate a scriverla
e a ricavare senα:
2 lenticchie
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..Ora
ricordiamo un po’ di goniometria: senα deve essere minore o al massimo uguale a 1, quindi come
potete esprimere la condizione di galleggiamento?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..A
parità di τ , la condizione di galleggiamento dipende solo dal rapporto…………………………………………..
mentre non dipende, come forse ci si potrebbe aspettare, da……………………………………………………………..
Proviamo a svolgere qualche calcolo e vediamo come si può fare una stima dell’angolo α:
una lenticchia “piccola” ha in media r ≈ 3 mm, m ≈ 0,03 g, quindi:
sin α =
3 ⋅10 −5 ⋅10 N
3 ⋅10 −4
=
= 0,23
6.28 ⋅ 3 ⋅10 −3 m ⋅ 0,07 N / m 1,3 ⋅10 −3
Æ α ≈ 13°
Quante lenticchie potete impilare una sull’altra in modo che il tutto galleggi ancora?......................
Infine un’altra osservazione interessante: se si depositano più lenticchie sulla superficie
dell’acqua, esse tendono ad avvicinarsi fino a restare praticamente “incollate” fra di loro. Questo
è dovuto all’effetto menisco
superficie
d’acqua:
che si
crea sulla
tale superficie, infatti, si
α
incurva in prossimità della linea di contatto con la
lenticchia, formando un menisco che si stacca
2r
h’
h
d
appunto un angolo α con il piano orizzontale su cui “si
appoggia” la lenticchia, con curvatura rivolta verso il basso.
Tale piano si trova a una profondità h al di sotto del pelo libero della superficie dell’acqua a
grande distanza dalla lenticchia (vedi figura). Ponendo vicino un’altra lenticchia, i menischi
d’acqua dai lati contigui delle due lenticchie tendono a ridurre il raggio di curvatura, e quindi
l’altezza h’, per ridurre l’energia potenziale di gravità, il che comporta una riduzione della
distanza d fra le lenticchie fino al valore minimo compatibile con la presenza di uno straterello di
acqua fra le lenticchie (senza il quale non ci sarebbe più la tensione superficiale!).
3 lenticchie
Quando formiamo un’emulsione tra olio e aceto, l’olio
rimane comunque olio e l’aceto resta aceto: la loro
composizione non cambia e non avviene nessuna reazione
di tipo chimico.
Altre volte, invece, mescolando insieme diversi
ingredienti, questi reagiscono tra di loro, e modificano la
loro composizione.
Spesso, queste reazioni sono ben visibili: per esempio,
quando danno origine alla produzione di gas.
Ecco un semplicissimo esperimento per verificarlo. Procuratevi
• bicarbonato di sodio
• acqua naturale
• limonata (acqua naturale e succo di limone in parti uguali)
• 2 bicchieri di vetro
• 2 cucchiaini
1. Riempite a metà di acqua uno dei bicchieri. Versateci dentro un cucchiaino di bicarbonato di
sodio. Si scioglie facilmente?…………………………………………………………………………………………………………………….
Osservate una reazione?……………………………………………………………………………………………………………………………..
2. Riempite a metà di limonata il secondo bicchiere. Versateci dentro un cucchiaino di
bicarbonato di sodio, usando un cucchiaino ben asciutto.
Da cosa capisci che avviene una reazione?……………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
La limonata diventa effervescente perché il bicarbonato reagisce con il succo acido del limone,
liberando un gas che si chiama anidride carbonica (lo stesso dell’acqua minerale frizzante). La
reazione avvenuta può essere così semplificata:
limone(molecola complessa)+bicarbonato(NaHCO3) Æ H2CO3 Æ H2O + CO2
Puoi fare altri esperimenti per vedere se il bicarbonato di sodio reagisce con altre bevande
acide; per esempio, puoi provare a fare aranciata effervescente.
Sapete spiegare come mai il bicarbonato viene usato per fare lievitare le torte?………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Quali ingredienti contiene il lievito?…………………………………………………………………………………………………………
1 cibo
Alcuni frutti e certi ortaggi diventano scuri, quando li tagli e li lasci per un po’ all’aria. La “colpa”
è dell’ossigeno, un gas che c’è nell’aria e che reagisce con alcune sostanze presenti nella frutta e
nella verdura, facendole scurire. Questa reazione si chiama “ossidazione” ed è un bel problema
per i cuochi: prova a immaginare l’effetto di una macedonia con i pezzetti di mela, di banana e di
pera tutti scuri, oppure l’aspetto di un’insalata con le carote annerite… per fortuna la chimica,
anche in questo caso, ci viene in aiuto.
Per sapere come, provate a svolgere questo esperimento. Procuratevi:
• una mela
• una pera matura
• una banana
• due compresse di vitamina C da masticare
• una capace scodella
• due piatti fondi da portata
• una schiumarola
• un coltello tagliente
1. Sciogliete le compresse di vitamina C nella scodella piena d’acqua.
2. Dividete a metà la mela. Sbucciate rapidamente la prima metà, toglietele il torsolo e
affettatela nella scodella con la vitamina C, in modo che tutte le fette siano ben immerse nella
soluzione. Lasciate a bagno le fette di mela per un paio di minuti, quindi toglietele con la
schiumarola e mettetele in uno dei piatti fondi.
3. Pelate l’altra metà della mela, levatele il torsolo e affettatela direttamente nel secondo piatto
fondo, senza bagnarla nella soluzione di vitamina C.
4. Ripetete il procedimento con la pera e la banana: dividete in due ciascun frutto, affettatene
una metà nella soluzione di vitamina C e l’altra metà direttamente nel piatto.
5. Alla fine, riunite in un piatto tutti i pezzi trattati con la vitamina C e nell’altro i pezzi non
trattati.
6. Disponete la frutta in modo che sia ben esposta all’aria e lasciate riposare le due macedonie
per almeno un’ora.
Osservate le due macedonie: c’è differenza tra la frutta trattata e quella non trattata?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Quale giustificazione ne date?…………………………………………………………………………………………………………………
La vitamina C, altrimenti detta acido ascorbico, ha la capacità di reagire con l’ossigeno dell’aria.
In pratica, è come se lo catturasse legandolo a sé e gli impedisse di agire sulla frutta.
Naturalmente, i cuochi non usano la vitamina C in compresse per cucinare, ma il succo di limone,
che di vitamina C ne contiene tantissima.
Prova a fare un esperimento con le carote: pulitele, tagliatele a pezzi e strofinatele con uno
spicchio di limone. Cosa osservate?…………………………………………………………………………………………………………..
La velocità con cui la frutta si ossida dipende anche dalla temperatura; preparate due porzioni di
macedonia, lasciatene una sul tavolo e mettete l’altra nel frigorifero. Quale delle due scurisce
prima? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………
2 cibo
Analizzate il coperchio dell’insalatiera.
Da quante ruote dentate è composta?
…………………………………………………………………………………………………….............
Quale ruota è solidale con la manopola
esterna?…………………………………………………………………………………..………………………......
Fate delle ipotesi sul funzionamento della
centrifuga.……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Contate il numero di denti di ogni ruota…………………………………………………………..
Determinate il rapporto tra i numeri dei denti……...……………………………………………
Perché non fare una centrifuga con un cestello fatto ruotare direttamente, cioè con la manopola
collegata direttamente al cestello?
……………………………………………………………………………………….………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Perché si usa la centrifuga per asciugare
l’insalata?…………………………………………………………………………….………………………………
………………………………………………………………………………………………………………….
Tenendo conto dei valori delle seguenti accelerazioni tipiche:
Pilota di formula 1: circa 6g al massimo
Accelerazione di gravità sulla superficie del Sole: 24g
Astronauta al decollo: circa 3g
stimate quanto vale secondo voi l’accelerazione all’interno dell’insalatiera? ………….
Per determinarla, misurate il diametro di ogni ruota, il diametro del cestello e compilate la
seguente tabella:
Ruota
Diametro (m)
n. denti
1
2
Cestello
----------------1 gira
Fate fare un giro completo alla ruota dentata di raggio maggiore e contare il numero di giri di
quella minore. Quanti giri fa la ruota dentata
minore?……………………………………………………………………………………………………..............
Quanti giri farà il cestello?…………………………………………………………………………………………………………………
Ricavare il rapporto di moltiplica: K=………………………………………………………..
Compilate la seguente tabella, supponendo di far ruotare la manopola con le frequenze assegnate
N° giri al secondo
della manopola
(Hz)
Frequenza
rotazione
cestello (Hz)
Velocità cestello
(rad/s)
f
K f
ω = 2π Kf
Accelerazione
centripeta sul
bordo del cestello
(m/s2)
2
a=ω r
Rapporto tra
accelerazione
del cestello e di
gravità
a
ε=
g
0.50
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Asciuga meglio una centrifuga grande o piccola (a parità di velocità angolare)?…………
Perché?…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…
……………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………..
Per produrre la stessa accelerazione scambiando le due ruote dovremmo:
a) girare la manovella con una frequenza …………………………volte superiore alla precedente
oppure
b) utilizzare un cestello di raggio………………….. volte maggiore.
Con questa attività, avete ricavato le accelerazioni alle quali è sottoposta l’insalata per rotazioni
di diversa frequenza.: esse sono decisamente alte, rispetto all’accelerazione di gravità. Come
mai, data una così grande accelerazione, non si trova alla fine una poltiglia di insalata visto che
dovrebbe essere schiacciata violentemente contro il bordo del cestello?
Il fatto che la consistenza dell'insalata non sia per nulla modificata è dovuto alle leggi di scala;
quando si fanno variazioni di scala, le proprietà degli oggetti ideali della geometria rimangono
valide ma, nella realtà, le proprietà fisiche non sono tutte invarianti rispetto a trasformazioni di
scala.
Le grandezze derivate aumentano relativamente alla variazione delle grandezze fondamentali.
Nel caso della centrifuga la grandezza da valutare è la pressione agente sulle foglie di insalata.
La pressione è il rapporto tra…………………………………………………………………………;
a parità di accelerazione la forza agente è direttamente proporzionale
2 gira
alla……………………………………………………………………………la quale è direttamente proporzionale al
…………………………………………………………………………………………….…….. cioè alla terza potenza
della………………………………………………….immaginando il corpo cubico.
Inoltre la pressione è inversamente proporzionale alla …………………………………………. cioè al quadrato
della ………………………………………………………………………………sempre immaginando il corpo di base quadrata.
La pressione quindi è direttamente proporzionale alla lunghezza cioè alle dimensioni dell’oggetto:
perciò un oggetto che sopporta una accelerazione di 1 g, se vedesse ridotte le dimensioni di un
fattore 50, potrebbe sopportare senza danno un’accelerazione pari a 50g.
All'interno del coperchio della centrifuga per insalata è presente un sistema di due ruote
dentate. Due ruote dentate che ingranano tra di loro costituiscono un meccanismo chiamato
ingranaggio
Se le ruote hanno un numero di denti uguale riescono a compiere un intero giro nello stesso
tempo; se, invece, in una ruota vi é un numero di denti diverso essa compirà un numero di giri
diverso da quello dell'altra ruota.
Conosci altri oggetti che funzionano sullo stesso principio?
In cucina esistono altri strumenti con un funzionamento simile, come ad esempio un frullino a
manovella
Osservate il tipo di moto a cui è soggetto.
Analizzate gli ingranaggi del frullino e valutate, anche approssimativamente, il rapporto di
moltiplica
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………........................................
Come è il moto rotatorio della manovella rispetto a quello del frullino?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
3 gira
OSSERVATE LA CAFFETTIERA
Da quanti parti è composta?
ANALIZZATE
ƒ
MOKA CHE AVETE DI FRONTE
LA FUNZIONE DELLE VARIE COMPONENTI DI UNA CAFFETTIERA
smontate la caffettiera in tutti i suoi componenti
Descrivete la funzione di ognuno di essi
ƒ
riempite con acqua il serbatoio inferiore fino al margine inferiore della valvola, inserite il
filtro, chiudete e mettete sul fuoco
L’assenza del caffè modifica il funzionamento della macchina?
Cosa esce dal foro del tubicino nella parte superiore?
Come fa l’acqua a salire nella caffettiera? Fate delle ipotesi.
ƒ
ƒ
buttate via l’acqua che è fuoriuscita nel serbatoio superiore
rimettete la caffettiera sul fuoco con l’acqua eventualmente rimasta nel fondo
Cosa notate?
ƒ
accostate al foro un cucchiaino
Cosa esce ora dalla fessura? Perché?
1 caffè
ƒ
Montate ora la moka senza imbutino, riempiendo il serbatoio d’acqua, per verificare quale
ipotesi sia quella corretta
Cosa esce ora dal foro del tubo superiore? Acqua o vapore?
ƒ
montate la moka con tutti gli elementi, caffè compreso e mettetela sul fornello
Quale è l’energia fornita alla macchina?
Quali trasformazioni avvengono durante il funzionamento?
ƒ
mettete un imbutino con un tubo inferiore più corto.
Quanta acqua rimane nel fondo del recipiente inferiore?
ƒ
togliete la valvola di sicurezza, mettete la caffettiera sul fuoco con o senza imbutino
Che cosa accade? Perché
4B
Interpretazione dei risultati
Quando si mette sul fuoco la moka, con o senza caffè, quello che esce dalla fessura è uno
spruzzo di acqua bollente. Rimane dell’acqua sul fondo del recipiente inferiore, rimettendo la
moka con l’acqua residua, si nota che quello che esce è ora vapore acqueo all’incirca a 100°C, che
si condensa su un oggetto freddo di metallo formando goccioline.
È da notare che il vapore d’acqua non si vede: il fumo che si nota è costituito da goccioline
d’acqua che si formano per condensazione del vapore stesso non appena viene in contatto con
l’aria più fredda
Se si toglie la valvola di sicurezza al suo posto rimane un foro dal quale fuoriesce il vapore,
mentre da sopra non esce più nulla perché la pressione all’interno della caldaia non diventa
superiore a quella atmosferica. Ecco perché la valvola è necessaria come congegno di sicurezza
per dare sfogo al vapore e non far scoppiare la moka in caso di aumento eccessivo della
pressione, ma al tempo stesso deve avere un foro piccolo, altrimenti l’acqua non salirebbe.
2 caffè
CERCATE DI COMPRENDERE IL FUNZIONAMENTO DI UNA MOKA
ƒ
ƒ
preparate il caffè, versatelo tutto in un recipiente
senza far raffreddare la moka, riempite la parte superiore di acqua fredda fino all’orlo
Cosa notate?
5B
Perché l’acqua viene risucchiata?
ƒ
ƒ
preparate il caffè, versatelo tutto in un recipiente
raffreddate la moka sotto un getto esterno d’acqua fredda
Cosa notate?
Rimane dell’acqua nel recipiente inferiore? Perché?
Interpretazione dei risultati
Quando l’acqua smette di uscire dalla fessura, all’interno della moka rimane sicuramente del
vapore d’acqua saturo ad alta temperatura e quindi ad alta pressione. Se si riempie d’acqua
fredda il recipiente superiore fino a ricoprire la fessura, tutta la moka e il vapore in essa
contenuto si raffredderanno. La pressione interna quindi diminuirà creando una depressione
rispetto all’ambiente esterno; la pressione atmosferica spingerà quindi l’acqua all’interno della
moka, con un risucchio dovuto alla rapidità con cui la temperatura si è abbassata.
Alla base di tutto il processo c’è il calore fornito dal fornello. All’inizio l’acqua si riscalda in uno
spazio chiuso, di cui occupa la maggiore parte, raggiungendo ben presto la temperatura di
ebollizione di 100 °C (al livello del mare). Di conseguenza la pressione del vapore saturo sopra
l’acqua raggiunge il valore di 1 atm. Continuando a somministrare calore alla caffettiera,
crescono la pressione del vapore saturo e la temperature dell’acqua, Ma la pressione esterna (al
di sopra del filtro) rimane uguale alla pressione atmosferica. Il vapore saturo, che si trova ad una
temperatura maggiore di 100 °C, agisce come una molla compressa spingendo l’acqua bollente,
appena un po’ surriscaldata, attraverso la polvere di caffè contenuta nell’imbutino.
3 caffè
Materiali:
·frutta (limone, mela, arancio) …e verdura (pomodoro, patata)
·un tester
·cartine al tornasole
·modulo elettronico collegato agli elettrodi
·cavetto con elettrodi all’estremità
·base metallica
Infilzate un frutto nella base metallica, dopo aver rimosso il modulo elettronico dalla parte
alta del telaio.
Inserite nel frutto gli elettrodi collegati al modulo il più lontano possibile l’uno dall’altro.
Inserite poi gli elettrodi del cavetto in modo tale che ciascun elettrodo rosso (rame) si trovi
ad una distanza di circa 0.5 cm da un elettrodo nero (zinco).
Cosa accade?
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
Cosa dimostra ciò che avete appena osservato?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Come funziona questa pila? Provate a riguardare la tabella periodica degli elementi:
confrontate l’elettronegatività del rame (Cu) con quello dello zinco (Zn). Quale dei due
elementi attira gli elettroni verso di sé con una forza maggiore?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
Che cosa succede se mettete l’elettrodo di rame direttamente a contatto con quello di zinco?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
C’è passaggio di corrente? ............................................................................................
Perchè?…..............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
1 orologio
Cosa succede se utilizzate solo due elettrodi invece che tutti e
quatto?............................................................................................................................……………………………………
Perchè?.................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
Provate ora a fabbricare la pila con frutti diversi.
Misurate con il tester la differenza di potenziale e con le cartine di tornasole il PH dei vari
frutti o ortaggi, riportando nella seguente tabella i dati che avete raccolto:
Frutto/Ortaggio
patata
mandarino
aceto
ΔV
PH
Notate una relazione tra PH e differenza di potenziale?
........................................................................................................................................……………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Ricordando che il PH è la misura della concentrazione di ioni idrogeno H+ presenti in soluzione
(PH=-log10[H+]), provate a fare un'ipotesi sulla motivazione fisica dell'esistenza di una
relazione tra PH e differenza di potenziale ......................................................................
.........................................................................................................................................…………............................
...............................................................................................................................................................................
Come abbiamo visto, il funzionamenteo della pila è basato sulla presenza di due elettrodi con
differente elettronegatività (nel nostro caso rame e zinco), che vengono immersi all'interno di
una soluzione elettrolitica. L'elettrolita può essere formato da soluzioni saline, acide o
basiche e contiene gli ioni dissociati che hanno la funzione di trasportare gli elettroni
dall'elettrodo a potenziale minore all'elettrodo a potenziale maggiore, mantenendo così
costante nel tempo la differenza di potenziale ai capi degli elettrodi del nostro generatore.
Nel nostro caso abbiamo utilizzato sostanze acide, per cui gli ioni che hanno la funzione di
trasportare gli elettroni sano gli ioni idrogeno H+.
Osserviamo che se aumenta il PH, ossia la concentrazione di ioni H+ in soluzione che
trasportano gli elettroni, aumenta anche la quantità di elettroni trasferiti dal catodo
all'anodo e di conseguenza la differenza di potenziale misurata.
Come ogni batteria, anche quella alla frutta&verdura ha una durata limitata. Infatti, dopo
poco tempo, le reazioni di ossido-riduzione che avvengono agli elettrodi possono provacare il
discioglimento del catodo (Zn) oppure l'ossidazione dell'anodo (Cu). L'anodo ossidato sarà
ricoperto da un sottile strato di materiale che ne osctacola il contatto con la soluzione
elettrolitica ed impedisce alla reazione di proseguire. La forza elettro-motrice (fem) cala e la
pila non funziona più. Il tipo di reazioni chimche che avvengono dipendono dai materiali di cui
sono costituiti anodo e catodo e dalla soluzione elettrolitica utilizzata.
A questo punto, si dice che gli elettrodi sono polarizzati. Per ottenere una maggiore durata
della pila e una maggiore erogazione di energia elettrica, occorre utilizzare un elettrolita più
adatto. Nelle pile che si trovano in commercio, oltre agli elettroliti, vengono usate delle
sostanze chimicamente affini all'idrogeno le quali, combinandosi con questo elemento,
agiscono da depolarizzanti.
2 orologio
Se non siete particolarmente ordinati, vi può capitare di riporre in frigorifero delle uova
freschissime, senza separarle da altre più vecchie e da altre già sode.
Provate a pensare ad un modo che vi permetta di distinguere i tre tipi di uova, senza rompere
il guscio e senza avvalervi della data di scadenza che alcune uova portano impresse sul guscio
e che per questo esperimento abbiamo cancellato con un pennarello.
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Se siete a corto di idee, vi suggeriamo di immergere le uova in un contenitore pieno di acqua.
Cosa osservate ?
…………………………………………………….………................................………………………………………………………………………
………………............................………………………………………………………………………………………………………………………………
In questo modo, pensate di riuscire a distinguere un “ tipo” di uova dagli altri ? Quale ?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Come interpretate il risultato di questo esperimento
…………………………………………………………………….....................................................................................................
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dopo aver tolto le uova dal contenitore e averle asciugate delicatamente, appoggiatele sul
tavolo e provate a farle ruotare. Cosa osservate ?
……………………………………………………………………………..........................................……………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
In questo modo, pensate di riuscire a distinguere un “tipo”di uova dagli altri ? Quale ?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Come interpretate il risultato di questo esperimento
…………………………………………………………………….....................................................................................................
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Se ora siete ragionevolmente certi di avere distinto i vari “tipi” di uova, potete controllare il
risultato delle vostre previsioni, sgusciando una delle uova ‘presunte sode ’e rompendo in una
padella (o scodella) una delle uova ‘ presunte fresche ‘. Speriamo che le vostre previsioni siano
corrette, altrimenti l’odore potrebbe non essere dei migliori….
Se osservate l’interno del guscio delle uova fresche, notate che ad una delle estremità è
presente una camera d’aria. Tale camera d’aria è più o meno grande a seconda che l’uovo sia più
o meno fresco. In particolare tanto più piccola è la camera d’aria, tanto più fresche sono le
uova. Quindi un uovo più vecchio, in cui parte dell’acqua è evaporata, può galleggiare (o
comunque stare più in superficie) a differenza di quello che fa un uovo fresco.
Certamente ti sono note altre situazioni in cui l’utilizzo di camere d’aria permette di cambiare
la profondità. Ad esempio………………………………………………………………………………………………………………………..
Inoltre in un uovo sodo, la massa è più compatta che non in un uovo crudo, quindi, se
interpretiamo le due uova come due corpi rigidi, esse sono caratterizzate da diversi momenti
d’inerzia cioè diverse distribuzioni di massa. In particolare, il momento di inerzia dell’uovo
sodo è minore di quello dell’uovo crudo, quindi a parità di momento applicato, la velocità
angolare sarà maggiore nel caso dell’uovo sodo rispetto al caso dell’uovo crudo.
1 uova
Ovviamente, a causa della forza di attrito fra il guscio e il tavolo, il moto rotatorio è
decelerato, e nel caso dell’uovo crudo, esso non riesce a compiere che un giro o poco più.
Anche a questo proposito sicuramente conosci già situazioni in cui una variazione del momento
d’inerzia si accompagna a una variazione della velocità angolare del sistema. Ad
esempio…………………………………………………………...................................................................................................
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Un’alternativa al metodo della rotazione sopra descritto consiste nell’imprimere, sia
all’uovo crudo, sia all’uovo sodo, coricati su un fianco, una rotazione più veloce possibile
e, mentre ruotano, toccarne per un attimo la parte superiore,ritirando poi
immediatamente il dito. L’uovo crudo riparte,quello sodo resta fermo.
Perché? ..............................................................................................................
Ora una sfida: escogitate come far stare in piedi un uovo crudo, senza trucchi sleali
come schiacciarne un po’ la base o poggiarlo su qualche cristallo di
sale......................................................................................................................
Vi è già capitato sicuramente di dover cucinare due uova strapazzate? Come avete fatto?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Sperimentiamo ora un’altra ricetta. Rompete un uovo in una padella in modo che l’albume si
distenda bene sul fondo. Noterete che è trasparente quasi come l’acqua. Di acqua infatti ne
contiene tanta, oltre a una buona dose di proteine. Ora tenendo gli occhi ben aperti versate
sull’albume lentamente un filo di alcol etilico a 95°. Non continuate a versare, per il momento,
ma con la forchetta sollevate una di quelle chiazze filamentose bianche che si sono formate e
osservatela da vicino. Sembra cotta anche se non avete usato fornelli di alcun tipo. Versate
ancora un po’ di alcol. Il fenomeno si propaga, ma non è velocissimo. Il processo diventa più
efficiente se mescoliamo adagio con un cucchiaio. A questo punto potete agire allo stesso
modo anche sul tuorlo: l’effetto è analogo anche se meno spettacolare. Potete procedere
mescolando e amalgamando il tutto. Che aspetto ha l’uovo dopo qualche
minuto?.…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……
…………………………….………………………………….......
Avete ottenuto una sorta di uovo strapazzato a freddo detto cagliata d’uovo. Versatela in un
colino, lavatela sotto un flusso di acqua corrente mescolando e, con un po’ di coraggio,
provate ad assaggiare?
Cosa ve ne
pare?.………………………………….………………………………….……………….………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Cerchiamo di capire cosa è successo.
Un uovo è ricco di proteine che sono lunghe “collane” formate da perle di amminoacidi che
negli alimenti crudi e freschi sono arrotolate come un gomitolo, perché si trovano in ambiente
acquoso. Gli amminoacidi idrofili (che attirano l’acqua) infatti sono rivolti verso l’esterno
mentre quelli idrofobi (che respingono l’acqua) si “nascondono” all’interno.
Cuocere un uovo significa far coagulare le sue proteine cioè fare in modo che queste si
intreccino a formare delle reti.
2 uova
Come già detto la molecola d’acqua è polare. In virtù di queste parziali cariche, si creano, tra
molecole vicine, attrazioni di natura elettrostatica: l’ossigeno di una molecola attrarrà
l’idrogeno di un’altra e così via formando “ponti a idrogeno”.
Le molecole, come gli amminoacidi, che presentano una parte idrofoba e una parte idrofila vi
si disperdono formando aggregati con la parte idrofila rivolta verso l’esterno e con quella
idrofoba verso l’interno.
Quando si mette l’uovo sul fuoco il calore elimina l’acqua presente a crudo e riesce a disfare i
gomitoli di proteine. Perché? …………………………………………………………………………………………………………………
Ma il fuoco non è l’unico disfa gomitoli: c’è anche l’alcol etilico. Vediamo di capire il perché.
La struttura di una molecola di alcol etilico è
H H
H–C–C–O–H
H
H
Sapresti scriverne la formula?…………………………………………………………………………………………… La presenza
del legame O-H rende la molecola ………………………………………………anche se un po’ meno di quella
dell’acqua. L’alcol etilico è pertanto fortemente idrofilo e disidrata le proteine dell’uovo con
un effetto complessivo analogo al riscaldamento.
Perché dal punto di vista chimico il lavaggio riesce a eliminare il gusto di alcol?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Perché, secondo voi, mischiando in un bicchiere acqua e alcol, l’acqua che è più pesante
dell’alcol non va a fondo?…………………………………………………………………………………………………………………
massa di acqua
(……….)
temperatura iniziale
(………)
temperatura finale
(………)
calore assorbito dall’acqua
(………)
Sempre a proposito di uova, vi siete mai chiesti perché immergendo un uovo in un lago per
tutto il giorno non rassoda mentre mettendolo sul gas dopo pochi minuti è pronto.
Proviamo a fare due calcoli sulle energie in gioco.
La quantità di calore che un lago riceve dal Sole in una giornata estiva è molto grande, molto
ma molto più grande di quanto possa dare la fiamma di una candela.
Determinate, attribuendo valori ragionevoli alle variabili massa e temperature, la quantità di
calore che serve alla massa d’acqua in un pentolino a bollire
Anche supponendo che non ci siano state dispersioni il calore fornito dalla candela nel tempo
utilizzato per il riscaldamento è quindi……………………………………………………
Proviamo a stimare ora il calore proveniente dal Sole che un lago assorbe in una giornata.
3 uova
L’intensità della radiazione solare in corrispondenza della superficie terrestre è circa 1350
W/m2. La superficie del lago Maggiore è circa 200 km2. In un giorno ci sono …………….ore di
sole, quindi …………………………….…..minuti, quindi ……………………….………………………secondi, perciò
l’energia assorbita dal lago Maggiore in una giornata è
E = 1350 W/m2 ⋅…......................……….……m2 ⋅……………...............…..…s =…………......................…………………J
Ricordando che una caloria equivale a 4,186 joule, determina di quanti ordini di grandezza
l’energia assorbita dal lago è superiore a quella fornita dal gas.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Tuttavia, anche lasciando un uovo immerso nell’acqua tutto il giorno, è impossibile farlo
cuocere, mentre lo si può benissimo fare in qualche minuto con l’aiuto di una candela.
PERCHE’?
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
L’enorme quantità di calore ricevuta dal lago si trova diluita in un tale volume d’acqua che la
sua concentrazione è estremamente debole. Mentre per la candela le cose cambiano: essa
produce poco calore, ma questo si trova concentrato in un volume molto piccolo (la fiamma) e
dato che solo il calore concentrato fa aumentare la temperatura, l’uovo potrà cuocere. Più o
meno bene, però sarà cotto, mentre nell’acqua del lago non succederà nulla.
Vi vengono in mente altri esempi in cui la concentrazione di energia è fondamentale perché si
verifichi un fenomeno?
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…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Negli acceleratori di particelle, ad esempio, viene concentrata energia cinetica su particelle
molto piccole con il sorprendente risultato che facendo collidere tali particelle, parte della
loro energia si trasforma in materia e quindi dopo l’urto avremo meno energia e più materia
rispetto a prima. Un modo insomma di realizzare la trasformazione di energia in massa
teorizzata da Einstein nella celebre equazione E=mc2.
L’idea è quella di riprodurre le condizioni di forte concentrazione energetica che si sono
realizzate al momento del Big Bang e scoprire come si è formata la materia e come è nato
quindi il nostro mondo.
4 uova
Quando si friggono nell’olio, ad esempio, le patate,si forma sulla loro superficie una crosta
saporita, mentre l’interno resta morbido. A) Perché? B) E perché assorbono olio dopo che la
cottura è terminata piuttosto che durante la cottura?
A) Appena un pezzetto di patata viene a contatto con l’olio bollente, l’energia fornita
dall’olio alla patata ne riscalda la superficie. Quando la superficie raggiunge la
temperatura di ebollizione dell’acqua, comincia ad evaporare l’acqua contenuta poco
sotto la superficie, la quale così si indurisce; il sapore della crosticina è dovuto anche a
reazioni chimiche causate dall’alta temperatura dell’olio (che può superare i 200°C).
Progressivamente l’energia si trasferisce anche più all’interno del pezzo di patata,
facendola cuocere, ma, poiché vi si trova acqua intrappolata, che non può fuoruscire
dalla crosta, la temperatura interna non può superare il punto di ebollizione dell’acqua,
e l’interno si cuoce senza disidratarsi.
B) Al termine della cottura, benché molta dell’acqua superficiale sia evaporata dai pori,
resta ancora del vapor acqueo nei pori stessi. Raffreddandosi, questo vapore ritorna
liquido e si contrae, lasciando del vuoto nei pori e facendo molto diminuire la pressione
al loro interno, cosicché essi risucchiano l’olio dall’esterno (se il pezzetto di patata vi si
trova ancora immerso) per capillarità.
Ecco perché è bene estrarre subito le patate dall’olio di cottura, e magari anche passarle sulla
carta da fritto,che è assorbente,se non si vuole mangiarle troppo unte.
Tuttavia, cuocere i cibi nell’olio presenta anche, rispetto alla bollitura nell’acqua, differenze
dal punto di vista energetico. Pensiamo infatti di voler riscaldare alla stessa temperatura
uguali quantitativi di acqua e di olio d’oliva,grazie ad un’identica fonte di calore. I due liquidi si
riscalderanno con la stressa facilità? …………………………………………………………………………………………………….
1 fritto
ESPERIENZA: Si versino 200 grammi d’acqua nel serbatoio di uno scaldabiberon elettrico e si
misuri il tempo necessario per portare l’acqua dalla temperatura ambiente alla temperatura di
80°C; poi si ripeta la prova con 200 grammi di olio d’oliva. Quale liquido ha avuto il tempo di
riscaldamento maggiore?.............................................................................................................
Passiamo ad osservazioni quantitative sull’esperienza.
Ricordando la legge fondamentale della calorimetria Q = cs . m . ΔT ,
dove m è la massa di sostanza da riscaldare
cs è il calore specifico di quella sostanza
∆T è l’aumento di temperatura che si vuole ottenere
Q è la quantità di calore necessaria
applichiamola ai due casi esaminati :
Qacqua = cs acqua . macqua . ∆T
Q olio = cs olio . m olio . ∆T
Dividendo membro a membro le due equazioni, e semplificando le masse (che sono uguali) e gli
aumenti di temperatura (che sono uguali),resterà
Qacqua⁄Q olio = c s acqua⁄ c s olio ,
il che
I) ci permette di evidenziare la proporzionalità diretta fra il calore specifico del
materiale e la quantità di calore occorrente per scaldarlo
II) ci consente di ricavare il valore del calore specifico dell’olio,che è l’unica incognita
dell’equazione; infatti il calore specifico dell’acqua è noto, e vale 4186 J/Kg.°C ; la
quantità di calore acquistata dall’acqua è uguale all’energia elettrica spesa dallo
scaldabiberon (perché si tratta di una macchina con rendimento ~100%,cosa che si
può verificare molto facilmente, ma richiederebbe un tempo che non abbiamo)
Qacqua = Eelettr. = Pelettr. x ∆t , (dove P è la potenza elettrica dello scaldabiberon e ∆t
l’intervallo di tempo durante il quale è rimasto acceso),
Q olio = Eelettr.’ = Pelettr. x ∆t’ , (analogamente)
è
Qacqua=……………………………………………………………………
Qolio =………………………………………………………………………
e, infine , cs olio =cs acqua . Q olio / Qacqua =………………………………...
Ora che conosciamo il calore specifico dell’olio d’oliva, possiamo calcolare in che rapporto
stanno i due calori specifici, e quindi motivare la differenza riscontrata nell’esperienza
iniziale:………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………
2 fritto
Ciò non basta,tuttavia, per affermare che sia più conveniente cuocere i cibi nell’acqua che
nell’olio,perché l’acqua,per quanto si riscaldi più facilmente, smette presto di scaldarsi !
Si sa che l’acqua, prima di bollire,può raggiungere soltanto i ……….°C, mentre l’olio d’oliva bolle a
………°C (ed a temperature prossime a questa bollono gli oli di semi), il che permette di cuocere
i cibi ad una ben diversa temperatura, consentendo reazioni chimiche che avvengono solo alle
temperature più alte (comprese, ohimè, anche certe reazioni che danno origine, oltre il
cosiddetto “punto di fumo” dell’olio, a prodotti potenzialmente cancerogeni).
Inoltre ATTENTI ALLE SCOTTATURE! Facciamo un piccolo salto nel tempo:troviamoci nel
medioevo, durante l’assedio alle mura di una città. Perché i difensori versano recipienti colmi
di olio bollente, e non di acqua bollente,sugli assedianti che tentano di scalare le mura?
……………………………………………………………………………………………………………................................................................
Anche in cucina, dunque, un’ustione con l’olio bollente è più pericolosa di una con l’acqua
bollente, ma che cosa accade se capita di scottarsi con il vapore d’acqua? Se è vapore a 100°C,
è dannoso in misura maggiore, uguale o minore dell’acqua alla stessa temperatura?
(segue VOTAZIONE DI IPOTESI E DISCUSSIONE DELLE SPIEGAZIONI PROPOSTE;la
risposta è scritta in caratteri piccolissimi a fondo pagina, ma non guardatela subito!)
Facciamo ancora una digressione sulle ustioni:alla stessa temperatura scotta di più la pizza o il
brodo?(analoga votazione e discussione;anche questa risposta è riportata a fondo pagina)
Infine,tornando al confronto tra acqua e olio,un altro loro utilizzo domestico,,anche se non
inerente la cucina, è come liquidi che riempiono quei radiatori elettrici mobili su rotelle, che
possono essere attaccati ad una presa di corrente in qualsiasi locale (in questo caso l’olio sarà
olio minerale anziché vegetale, ma la sostanza del discorso non cambia). Sapreste ipotizzare
perché sono caricati ad olio anziché ad acqua,se l’acqua richiede quasi la metà dell’energia per
riscaldarsi?
Prima risposta:Il vapore è meno dannoso dell’acqua, perché costituito da minuscole goccioline, che, nel percorso fino alla nostra
pelle, si raffreddano in fretta, dato che ciascuna di esse trasporta solo una piccola quantità di energia termica, che arriva subito
alla sua superficie e viene immediatamente trasferita all’aria che essa attraversa. Quando arriva alla pelle non è a 100°C.
Seconda risposta:La pizza. Il pericolo di bruciature dipende dalla temperatura del cibo ingerito, ma anche dalla sua quantità, dalla
sua capacità di trasferire energia termica alla bocca e dalla durata della sua permanenza in bocca. Il brodo è tutto alla stessa
temperatura, perciò ci accorgiamo subito se brucia, lo sorbiamo poco alla volta e lo deglutiamo rapidamente; il formaggio della
pizza, invece, potrebbe avere una superficie assai meno calda dell’interno (specie se riscaldato nel microonde), ma contenere
molta energia termica immagazzinata all’interno, inoltre può incollarsi al palato, e così prolungare il trasferimento di energia.
Terza risposta:In effetti esistono anche radiatori elettrici ad acqua. Il motivo per cui quelli a olio sono più diffusi è,
probabilmente, perché l’acqua evapora più facilmente, e il vapore potrebbe dare problemi di pressione interna,oppure lentamente
esaurirsi, evaporando attraverso qualche guarnizione che non sia a perfetta tenuta.
Ultima curiosità,a proposito di evaporazione:come può accadere che,schizzando delle
gocce d’acqua su una padella,esse evaporino più in fretta se la padella è a 100°C che se
è a 200°C?
A 200°C si forma subito sotto di esse uno strato di vapore acqueo, che le protegge, per un po’, dall’ulteriore riscaldamento.
3 fritto
Una credenza popolare dice che i gatti sopravvivano facilmente alle cadute dall’alto, perché in
volo riescono a girarsi e cadono sempre sulle zampe, mai a testa in giù.
Una delle leggi di Murphy (vedi Arthur Bloch,”La legge di Murphy e altri motivi per cui le
cose vanno a rovescio,1988) afferma invece che una fetta di pane imburrato, se cade, tocca
sempre terra dalla parte dove c’è il burro. Soprattutto se sotto c’è un tappeto.
Queste due affermazioni hanno spinto qualche scienziato burlone (vedi New Scientist del
19/10/1996) a progettare un innovativo motore a ......................GATTO IMBURRATO.
Per realizzarlo si prende il gatto, gli si assicura alla schiena una fetta di pane imburrato, con il
burro dalla parte esterna, e si collega il sistema gatto-fetta ad una dinamo. Buttandoli giù da
una certa altezza, il gatto tende a stare girato con le zampe sotto (per la regola universale
della caduta dei gatti) ,ma il pane imburrato fa capovolgere il gatto (per rispettare la legge di
Murphy e cadere con il burro di sotto), al che il gatto si rigira, la fetta di pane lo fa
nuovamente ruotare di 180° e così via, in un moto cicloidale che tende a terra,ma non ci arriva
mai, e, intanto, aziona con continuità la dinamo, generando corrente elettrica, che può
azionare un motore.
Più seriamente, ci si può domandare se le due leggi da cui siamo partiti abbiano qualche
fondamento. Che il 90% dei gatti cada, da altezze anche considerevoli, senza lesioni mortali
(anzi, il 60% illeso) è stato scientificamente provato con statistiche e calcoli dinamici; quanto
alla legge di Murphy circa il toast imburrato,vediamo in dettaglio cosa avviene.
SE LA FETTA DI PANE VIENE SPINTA FINO AD AVERE IL CENTRO DI MASSA OLTRE IL
BORDO DI UN TAVOLO, ESSA COMINCERA’ DAPPRIMA A RUOTARE ATTORNO ALLO
SPIGOLO DEL TAVOLO, E POI CONTINUERA’ A RUOTARE DURANTE LA CADUTA. LA
VELOCITA’ DI ROTAZIONE DIPENDE :DALLA FORZA CON CUI SI E’ COLPITO IL PANE,
1 gatto
DALLE FORZE DI ATTRITO TRA IL PANE E IL TAVOLO DURANTE LO SLITTAMENTO
DELLA FETTA, DALL’AREA DELLA FETTA STESSA E DALL’ENTITA’ DELLA SUA
EVENTUALE SPORGENZA INIZIALE OLTRE IL BORDO.
PER VALORI TIPICI DELL’AREA E DELL’ATTRITO, LA FACCIA DI ATTERRAGGIO SARA’
DETERMINATA, OLTRE CHE DA SPORGENZA E VELOCITA’, DALL’ altezza del tavolo, CHE
DARA’MODO ALLA FETTA DI COMPLETARE, O MENO, UN NUMERO INTERO DI GIRI NEL
TEMPO DI CADUTA, CHE VALE t = √2h/g secondi.
U
U
(Per angoli di rotazione <90°, oppure tra 270° e 450°, oppure tra 630° e 810°, la faccia
imburrata del toast resterà sopra; per angoli di rotazione tra 90° e 270°,oppure tra 450° e
630°, ecc….,la faccia imburrata finirà sotto).
CON UN TAVOLO DI MEDIA ALTEZZA E UNA LIEVE SPORGENZA INIZIALE DELLA
FETTA,QUESTA NON SI CAPOVOLGERA’ (è doveroso dire che in genere non lo farà,non
essendo sempre riproducubili identiche condizioni), MENTRE POTRA’ CAPOVOLGERSI CON
SPINTE PIU’ FORTI O CON RIPIANI DI PARTENZA PIU’ALTI.
U
U
S E G U O N O P R O V E S P E R I M E N T A L I ( S E N Z A G A TTO )
..............................................................................................................................
U
.................................................................................................................................
Altro problema:
Quando si inzuppa un biscotto nel caffelatte,come è meglio tenerlo per evitare che si rompa e
cada nel caffelatte? In verticale o con una qualche particolare inclinazione?
RISPOSTA: E’ stato calcolato ,applicando leggi di meccanica dei fluidi, che il modo migliore è
tenere con le dita il biscotto quasi in orizzontale, purché l’immersione sia breve. Infatti esiste
un’equazioneche predice quale distanza un liquido risucchiato per capillarità percorrerà in un
dato tempo,nel nostro caso in quanto tempo il latte risalirà dentro il biscotto, rendendo molli i
granuli di amido e debole l’adesione fra essi.
Nell’equazione di Washburn: L2 = (γ x R x t) / 2η, dove i parametri γ e η dipendono dalla
natura del liquido e R è il raggio delle porosità del corpo assorbente,si vede come IL TEMPO
E’ DIRETTAMENTE PROPORZIONALE AL QUADRATO DELLA DISTANZA CHE IL
LIQUIDO DEVE PERCORRERE.
Si è dunque calcolato che i biscotti immersi scientificamente,cioè “in piano”, impiegano,per
inzupparsi completamente un tempo 4 volte maggiore che con il metodo convenzionale “di
taglio”, perché il latte penetra da una parte sola e ha tutto lo spessore del biscotto da
attraversare,invece che metà da una parte e metà dall’altra, come nell’immersione in verticale.
Un altro ancora:
Per quale livello di riempimento una lattina di birra o di bibita è PIU’ STABILE ? Provate ad
ordinare per stabilità decrescente le lattine raffigurate qui di seguito:
2 gatto
A
B
C
D
E
La stabilità delle lattine è misurata dall’energia necessaria per inclinarle dalla posizione
normale fino al punto oltre il quale si ribaltano, perché il loro centro di massa si trova su una
verticale esterna alla base. E’ bene individuare, almeno approssimativamente, il baricentro.
Certamente la lattina E è la meno stabile,perché, al pari della lattina A, ha il centro di massa
alla massima altezza, cioè nel centro geometrico, ma richiede meno spinta laterale,essendo più
leggera, in quanto vuota.
Se, invece, si svuota progressivamente la lattina,passando alle configurazioni B, C e D, il
centro di massa cala, finché il livello del liquido finisce col trovarsi sotto di esso, ma , da quel
momento in poi, ricomincia a salire. E’ stato calcolato che la massima stabilità si ha per
un’altezza del liquido poco maggiore del raggio della lattina.
Dunque la lattina B è più stabile della A, la lattina C più stabile della B, ma la lattina D meno
stabile della C, e anche della B.
In conclusione l’ordine, per stabilità decrescente, è il seguente:
1°) C
2°) B
3°/4°) A o D (non si riesce a dirlo a priori, perché è vero che la D ha il baricentro più basso,
ma potrebbe richiedere meno spinta; l’esito può dipendere dal livello esatto del liquido,dalla
densità del liquido stesso e dalla massa del contenitore)
5°) E
3 gatto
BIBLIOGRAFIA
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Hervè This – Pentole & provette – Gambero Rosso
2B
Len Fisher – Il segreto dell’uovo sodo – Longanesi & C.
G. Valitutti, A. Tifi – Chimica: principi ed esperimenti – Massonscuola
P. Cappelli, V. Vannucchi – Chimica degli alimenti: conservazione e trasformazione- Zanichelli
3B
R.L. Wolke – Einstein al suo cuoco la raccontava così – Apogeo
D. Cassi – Il gelato estemporaneo – Sperling&Kupfer
M. Vollmer, K.P. Moellmann, D. Karstadt – More experiments with microwave ovens – Physics
Education 39(4) – 2004
A. Rigamonti, A. Varlamov – Magico caleidoscopio della fisica – La Goliardica Pavese
Jearl Walker, IL LUNA PARK DELLA FISICA vol. 1 (II ediz., saggi Zanichelli): moti, liquidi e gas,
calore
Jearl Walker, IL LUNA PARK DELLA FISICA vol. 2 (II ediz., saggi Zanichelli). elettricità,
magnetismo, suono e colore
M. Chiesa – Fisica in cucina – materiali preparati nell’ambito del Progetto Lauree ScientificheFisica del quotidiano e disponibili sul sito http://[email protected]
HU
U
Parte dei materiali sui fluidi sono stati estratti da un lavoro a cura di I.I.S. “A.Minuziano”di San
Severo (FG) reperibile sul sito www.iisminuziano.it/alimentare/lezioni/fluidi_idrostatica.pdf
U
Parte dei materiali sono stati estratti da quelli presentati alla Scuola Estiva A.I.F. di Genova 2005
diretta dal prof. Gigi Oliva