martedì 27 gennaio 2015

La fisica del ketchup

Quante volte sicuramente ognuno di noi si è trovato nella situazione di versare del ketchup sulle patatine fritte? Innumerevoli volte. E altrettante volte ci siamo arrabbiati probabilmente sempre per lo stesso motivo: il ketchup non scendeva o ne veniva fuori fin troppo!



Partendo da questo simpatico (...se, come no!) fatto possiamo ancora una volta parlare di fisica!
Davvero? Ma come è possibile? Parlare di fisica è sempre possibile e stavolta forse è proprio necessario in quanto potrebbe salvarvi dalla situazione in cui, pieni di rabbia per il fatto che il ketchup non viene fuori, improvvisamente svuotate tutta la bottiglia!

Dunque, dobbiamo partire dal concetto di fluido. In generale un materiale appare sotto forma fluida se prende la forma del vaso/bottiglia/bicchiere/tubo/qualsiasicosa che lo contiene. Abbastanza semplice.

Detto questo, torniamo ai fluidi. Ebbene la domanda immediata da farsi è: ma prima che finiamo di leggere questo post, il ketchup è un fluido? Beh, se tenete conto della definizione data sopra di fluido allora non potrete che concordare sul fatto che sì, effettivamente il ketchup è un fluido, in quanto si trova sempre in un qualche contenitore di cui prende la forma.
Allora sicuramente, ne sono certo, voi ora starete pensando: ma scusa dunque perché il ketchup non si comporta come semplice acqua e la smette di rompere le scatole, per giunta proprio quando vogliamo mangiare un bel piatto di patatine? (Viene da pensare che lo faccia apposta, vero?).


Ecco, il fatto è che possiamo dividere i fluidi in due grosse categorie: i fluidi newtoniani e i fluidi non-newtoniani. Alla prima categoria appartengono i fluidi come l'acqua e alla seconda quelli "simpatici" come il ketchup ma anche il dentifricio e, udite udite, il sangue (da non confondere con il ketchup!). Ciò vuol dire che in ognuno di noi ci sono almeno 4-5 litri di un fluido non-newtoniano: lo sapevate?
Vediamo un po', fisicamente parlando, che differenza c'è.

In realtà, probabilmente pensando già all'acqua e al (problema del) ketchup, un'idea ce l'abbiamo già.
Infatti quando vogliamo inondare di ketchup le nostre patatine non facciamo altro che generare una forza per spingere il ketchup dalla bottiglia al piatto. Sappiamo (anni e anni di esperienze di bottiglie d'acqua rovesciate durante il pranzo!) che con l'acqua non ci sarebbero problemi.
Quindi tutto si basa su come i fluidi rispondono quando sono sottoposti ad una forza.

Ora, per andare avanti, ci serve di dare un nome al fatto che un fluido si muove più o meno rapidamente. Stiamo parlando della viscosità di un fluido. Un fluido ad alta viscosità si muoverà lentamente mentre uno con poca viscosità si muoverà velocemente quando, ad esempio, deve scorrere da qualche parte. E adesso tiriamo in ballo Sir Isaac Newton. Infatti il padre della teoria della gravitazione si è occupato, tra le altre cose, anche di fluidi; se applichiamo una forza (poi più giù spiego meglio come) ad un fluido newtoniano, la viscosità di tale fluido non cambia. Niente di strano, direte voi. Infatti quando d'estate andiamo al mare non vi è alcuna differenza tra il tizio/tizia che si immerge con delicatezza per paura che l'acqua sia troppo fredda (magari anche a mezzogiorno!) e il tizio/tizia che prende la rincorsa e si tuffa con una forza maggiore quando impatta con l'acqua del mare (e puntualmente distrugge i sogni di pace del signore concentrato a fare le parole crociate!). Voglio dire, le caratteristiche di viscosità dell'acqua restano le medesime in entrambi i casi.

Già lo so cosa state pensando: cioé, vuoi dire che esistono fluidi che si comportano diversamente a seconda del fatto che li trattiamo dolcemente o con forza bruta? Addirittura fluidi su cui possiamo camminare sopra?
Beh, se il fluido è non-newtoniano la risposta è nel video di seguito,  dove nella prima scena una ragazza prova a camminare sull'acqua con scarsi risultati (grazie...è un fluido newtoniano, ormai lo sappiamo); in seguito però viene riempita una piscina con un fluido non-newtoniano e... beh lascio a voi i commenti (in rete c'è una miriade di video simili!):


Vale la pena notare che in questo caso la viscosità aumenta quando viene applicata una forza maggiore (correndo si spingono di più i piedi nel fluido!).

Vi ricorda qualcosa tutto ciò? Esatto! Le sabbie mobili. Innanzitutto diciamo subito che non "mangiano" nessuno in quanto non sono mai profondissime. Il problema è, piuttosto, il fatto che si resta bloccati e non si riesce ad uscirne proprio malgrado sia facilissimo entrarvi. Questo perché la forza può essere applicata in due modi principalmente: in maniera perpendicolare, ovvero proprio come quando restiamo fermi sulle sabbie mobili lasciando fare alla gravità e di taglio, ovvero quando camminiamo lungo la superficie del fluido. Quindi quando siamo immersi nelle sabbie mobili (non so, a me però non è mai capitato, mi fido della fisica!) non si riesce a muoversi perché la viscosità delle sabbie mobili aumenta quando si applicano forze di taglio.

Dunque quando camminate (o cercate di liberarvi) la viscosità aumenta e la sabbia mobile fa la tipa "tosta". Al contrario quando annegate la viscosità è bassa e la sabbia mobile vi culla verso il basso...

Vabbè, vabbè ma ora ci vuoi spiegare come è possibile che si riesca a camminare su di un fluido non-newtoniano? Perché la viscosità di un fluido non-newtoniano cambia a seconda della forza applicata? Ecco, tutto si basa sul concetto di sospensione: si tratta semplicemente di una miscela di un qualcosa di solido e di un qualcosa di liquido. Per esempio nelle sabbie mobili abbiamo acqua e sabbia.

Praticamente quando si spinge forte con il piede nel fluido non-newtoniano del video per cercare di camminare lungo la superficie, accade che le particelle liquide vengono spinte in fondo alla piscina quasi di colpo e in superficie restano le particelle solide che formano come una "tavola" su cui passeggiare; la viscosità è aumentata in maniera impressionante. Però se la forza non è intensa, per esempio si sta semplicemente fermi lasciando fare il lavoro alla forza di gravità che vi spinge in basso docilmente, allora quello che abbiamo detto prima non accade e quindi la viscosità resta bassa è, come avete visto capitare a qualcuno nel video, si rischia di annegare nel fluido non-newtoniano. Tipo sabbie mobili, insomma.

Vi faccio notare una piccola cosa che magari ho dimenticato di dire esplicitamente ma che risulta chiara dal video. Bisogna fare anche i conti con il tempo, voglio dire per quanto tempo applichiamo la forza. Infatti, come avete visto nel video, è vero che stando fermi si sprofonda; ma è anche vero che se non si sta troppo a lungo a distrarsi è possibile divincolarsi dalla morsa feroce del fluido non-newtoniano! Fine della piccola cosa da notare.

Bene. Però ora dobbiamo parlare del ketchup visto che all'inizio di questo post si parlava di patatine fritte e ora lo so che vi ho distratti ma l'acquolina è rimasta intatta!
Ecco, anche il ketchup è una sospensione: c'è l'acqua e l'aceto che fanno la parte liquida e poi c'è il pomodoro che, sebbene sia tritato e ri-tritato, spremuto e ri-spremuto, è presente come piccole particelle (più grandi delle molecole d'acqua) e dunque fa la parte del solido. Il bello del ketchup è che si comporta al contrario della piscina del video precendente; cioè viscosità alta quando la forza è debole e viscosità bassa quando la forza è maggiore.
Questo perché oltre ad acqua e pomodoro, nel ketchup vi è anche un altro ingrediente, la gomma di xantano, che ha proprio il "potere" (anche in piccole quantità) di far comportare il ketchup in questo modo.

Infatti se apriamo la bottiglia, la giriamo con il collo rivolto verso il basso e proviamo a versare, nulla fuoriesce. Ciò vuol dire piccola forza applicata, alta viscosità. Se invece apriamo la bottiglia, la giriamo e diamo uno scossone forte...pum! Ecco che il ketchup fuoriesce...ehm, spesso senza controllo e non siamo mai soddisfatti della quantità versata. Un'altra possibilità è agitare (mentre la bottiglia è girata) lentamente per un periodo di tempo più o meno lungo ed ecco che il ketchup uscirà, magari stavolta con più controllo (qui entra in gioco il fattore "tempo" a cui abbiamo accennato prima).

Assurdo, vero? Forse non immaginavate che dietro tante arrabbiature e di fronte ad un gesto compiuto chissà quante volte ci fosse tutta questa storia dietro! Ora resterebbe da capire cosa accade alla sospensione di acqua e pomodoro, cioè al ketchup.

Beh, in realtà non è ancora chiarissimo e (pensate un po'!) ci sono scienziati che stanno studiando come funziona il ketchup!
No eh, non c'è niente da ridere: la scienza, ormai dovreste saperlo se leggete questo blog da un po', è fatta di piccole cose, minuscoli passi che poi portano a capire come funziona la Natura. Infatti mettiamo che una casa viene costruita su un terreno che, per qualche motivo, presenta caratteristiche di fluido non-newtoniano (magari un terreno argilloso).  E poi magari arriva una forza esterna... che ne so, per esempio un terremoto!
Perciò, fin quando sarà possibile fare esperimenti con il ketchup piuttosto che aspettare di vedere terremoti che distruggono case allora, non so cosa ne pensate voi, ma per me gli scienziati potrebbero lavorare anche con le patatine fritte (ma non tutti i giorni che poi non bisogna esagerare, eh!).

Parlando degli altri fluidi non-newtoniani ora capite perché, premendo forte, la situazione del tubetto di dentifricio vi sfugge di mano! Per il sangue, la sospensione è formata dai globuli rossi e dal plasma; troppi globuli rossi fanno aumentare la viscosità e viceversa. Per esempio, esiste un indice chiamato ematocrito che esprime la percentuale di globuli rossi nel sangue; un valore troppo elevato indica un sangue tanto viscoso che fa fatica a fluire. Spesso questo viene associato al doping (per esempio nel ciclismo) perché gli atleti dopati assumono sostanze che aumentano la produzione di globuli rossi (i quali sono importanti per il trasporto dell'ossigeno) quali ad esempio l'EPO (eritropoteina), la quale tuttavia viene prodotta anche naturalmente nel nostro corpo umano dai reni.

Questa è la fisica del ketchup, la fisica dei fluidi non-newtoniani.
Lo so, d'ora in poi mangiare patate fritte versando ketchup non sarà più lo stesso. Perdonatemi se potete, spero di non aver rovinato la magia!