GRUPPO FISICA IN CUCINA

Materiali a cura di: Graziella Vecco Isabella Mancianti Irene Audrito Margherita Redavid

STAGE DI FISICA

14 / 19 marzo 2011

Casa Alpina “Maria Nivis” di Torgnon (Ao)

LA FISICA IN GIOCO

INDICE

1) Olio & Company 2) Microonde 3) Maizena … questa sconosciuta 4) Luce e gas 5) Lenticchie curiose 6) La chimica del cibo 7) Gira che ti rigira 8) Caffè all’italiana 9) L’orologio alla frutta 10) Facciamoci due uova 11) Bollito o fritto? 12) Il motore a gatto imburrato 13) 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:

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Elemento Elettronegatività E Idrogeno Ossigeno Carbonio

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.

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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

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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?………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

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.

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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!!

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 .

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

campione Temperatura iniziale acqua

Ti (°C)

Temperatura finale acqua

Tf (°C)

Tf - Ti

(°C)

nessun secondo contenitore

II contenitore vuoto

II contenitore con 150 ml di acqua

II contenitore con ghiaccio

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.

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Posizione bottiglia 0BTemperatura in superficie (°C) 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:

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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

40 V/m

Valori attenzione 0,1 MHz‹f ≤300 GHz

6 V/m

Obiettivi di qualità 0,1 MHz ‹f ≤ 300 GHz

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)

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L'amido di mais, comunemente detto maizena, è una HUfarinaUH bianca che si ottiene da una lavorazione del HUgranturco UH. Il principale utilizzo dell'amido di mais è quello gastronomico, soprattutto per preparare alimenti per persone HUceliacheUH, in sostituzione della HUfarinaUH: infatti, le persone HUintolleranti UH al HUglutine UH non sono intolleranti alle HUproteineUH del mais.

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 HUcartaUH, come ingrediente in alcuni HUfarmaciUH, per la produzione di HUsapone UH, come HUlubrificante UH, per la produzione di HUbirraUH (in parziale sostituzione del più tradizionale HUorzoUH, dato il suo costo minore).

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.

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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 HUfluido non newtonianoUH, ovvero quella di non avere una viscosità definita.

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.

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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:

uF Az

μ Δ=

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.

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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 ketch-up, 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?

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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 HUpropositoUH su Youtube c’è una HUnutrita lista di divertenti filmati sull’argomento 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…………

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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 aria-

acqua, 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

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

dF αr

wFp

dF αr

wFp

dF αr

wFp

αr

wFp

Fτ

d

2rhα h’

d

2rhα

d

2rhα

d

2rhα

d

2rhα h’h’

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..……

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..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:

23,0103,1

103/07,010328.6

10103sin 3

4

3

5

=⋅

⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅

= −

−

−

−

mNmNα 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 che si crea sulla

superficie d’acqua: tale superficie, infatti, si

incurva in prossimità della linea di contatto con la

lenticchia, formando un menisco che si stacca

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) H2CO3 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)

Accelerazione centripeta sul

bordo del cestello (m/s2)

Rapporto tra accelerazione

del cestello e di gravità

f K�f 2 Kfω π= a=ω2r ε= ag

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 MOKA CHE AVETE DI FRONTE Da quanti parti è composta? ANALIZZATE LA FUNZIONE DELLE VARIE COMPONENTI DI UNA CAFFETTIERA

smontate la caffettiera in tutti i suoi componenti Descrivete la funzione di ognuno di essi

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.

buttate via l’acqua che è fuoriuscita nel serbatoio superiore rimettete la caffettiera sul fuoco con l’acqua eventualmente rimasta nel fondo

Cosa notate? accostate al foro un cucchiaino

Cosa esce ora dalla fessura? Perché?

1 caffè

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? 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? mettete un imbutino con un tubo inferiore più corto.

Quanta acqua rimane nel fondo del recipiente inferiore? togliete la valvola di sicurezza, mettete la caffettiera sul fuoco con o senza imbutino

4BChe cosa accade? Perché 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 preparate il caffè, versatelo tutto in un recipiente senza far raffreddare la moka, riempite la parte superiore di acqua fredda fino all’orlo

5BCosa notate? Perché l’acqua viene risucchiata? 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:

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

Frutto/Ortaggio PHpatatamandarinoaceto

ΔV

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. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 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.

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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?…………………………………………………………………………………………………………………

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

massa di acqua (……….)

temperatura iniziale (………)

temperatura finale (………)

calore assorbito dall’acqua (………)

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? …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 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? …………………………………………………………………………………………………….

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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 è l’intervallo di tempo durante il quale è rimasto acceso), Q olio = Eelettr.

’ = Pelettr. x ∆t’ , (analogamente) 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:………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………

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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.

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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,

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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’ Ualtezza del tavoloU, CHE DARA’MODO ALLA FETTA DI COMPLETARE, O MENO, UN NUMERO INTERO DI GIRI NEL TEMPO DI CADUTA, CHE VALE t = √2h/g secondi. (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 UNON USI 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. S E G U O N O P R O V E S P E R I M E N T A L I ( US E N Z A G A TTO ) .............................................................................................................................. .................................................................................................................................

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:

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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

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1BBIBLIOGRAFIA Hervè This - I segreti della pentola – Jaca Book

2BHervè This – Pentole & provette – Gambero Rosso

Len Fisher – Il segreto dell’uovo sodo – Longanesi & C.

G. Valitutti, A. Tifi – Chimica: principi ed esperimenti – Massonscuola

3BP. Cappelli, V. Vannucchi – Chimica degli alimenti: conservazione e trasformazione- Zanichelli

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 Scientifiche- Fisica del quotidiano e disponibili sul sito HUhttp://fad@to.infn.itU 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 Uwww.iisminuziano.it/alimentare/lezioni/fluidi_idrostatica.pdf Parte dei materiali sono stati estratti da quelli presentati alla Scuola Estiva A.I.F. di Genova 2005 diretta dal prof. Gigi Oliva