ah, il nastro americano ...

Con poca spesa e lavoro limitato ho realizzato una vaschetta a tenuta d'acqua per una attività sulla interazione terreno-acqua. 

Una lastrina di policarbonato trasparente, una uguale di polionda, sponde del polistirene che si usa per l'isolamento termico e nastro adesivo tipo americano per tenere insieme il tutto e sigillarlo. I Mythbusters hanno costruito una intera imbarcazione con il nastro americano, io mi sono limitato. All'inizio la vaschetta perdeva, ma c'era proprio un buchino. 

E poi è arrivata la "pistola" per misurare la velocità, la speedgun. 

Prime prove: misura la velocità di oggetti piccoli, tipo pallina da tennis, e a maggior ragione quella di palle e palloni che useremo per scienza e sport. Dobbiamo trovare il modo di proteggere chi userà il rilevatore perchè questo misura la componente della velocità lungo la linea di vista dello strumento quindi il pallone deve essere diretto il più possibile verso la speedgun: nel caso di una battuta o di una pallonata la faccenda può essere dolorosa.  La minima velocità rilevabile è 16 km/h, può essere un problema per un ciclista con andatura rilassata, ma una palla lanciata a mano da noi viaggia a una quarantina di chilometri all'ora, e una palla battuta o calciata è ben più veloce. 

In scia

Mentre preparavamo un corso per insegnanti sulla bicicletta e vedevamo i vari aspetti scientifici (e non) legati a questo veicolo emozionale, abbiamo considerato l'effetto della resistenza dell'aria nel farci fare fatica quando viaggiamo. Naturalmente sapevamo che se stai nella scia di qualcuno fai meno fatica (vedi anche Aerodinamica, una pagina del sito dell'Exploratorium di San Francisco) e ci siamo chiesti che cosa sia la scia dietro una bicicletta (e un generico veicolo) e che forma e dimensione abbia. 

Mi ricordavo di aver visto un episodio della serie Mythbusters (il mio mito personale) in cui Grant con un'automobile si mette nella scia di un grosso camion, a distanza sempre minore, scoprendo che i consumi dell'auto crollano clamorosamente: stando a 3 metri dal retro del camion l'efficienza distanza/litro aumenta del 39%, confermando in modo evidente che una gran parte dell'energia impiegata per viaggiare (quindi del combustibile, se parliamo di auto) serve per vincere la resistenza dell'aria (Mythbusters: drafting 10 feet behind a big rig will improve mileage 39 percent) (beh, la resistenza dell'aria è proporzionale al quadrato della velocità!). Ma settimana scorsa ho trovato per caso una prova dedicata proprio all'andare in scia in bicicletta, svolta nello stesso episodio che evidentemente non avevo visto completamente. 

Mythbusters: Big Rig Myths

La prima prova mostrata nel video serve a misurare la massima velocità che Tory raggiunge in condizioni normali: riesce ad arrivare a 32 km/h (20 miglia orarie), una velocità lontana da quella dei professionisti o anche solo degli sportivi, ma decisamente buona se la considero io dal mio punto di vista di ciclista normale (Grant gli applica un cardiofrequenzimetro e registra la frequenza delle pulsazioni mentre Kari si occupa di misurare la velocità con un dispositivo di rilevazione stradale). Dopo essersi opportunamente riposato, Tory ripete la prova mettendosi però dietro un grosso camion (a big rig) che va alla massima velocità raggiunta prima. Beh, la differenza è evidente: fatica quasi annullata, addirittura Tory ogni tanto smette di pedalare oppure deve frenare (vedi Annotated Mythbusters Episode 80: Big Rig Myths)  
Vedendo il video mi immagino che Tory stia muovendosi praticamente senza provare la resistenza dell'aria, in una bolla di aria che segue il retro del camion ed è quindi ferma rispetto a lui, che si muove alla stessa velocità del camion.

Ho cercato in giro e ho trovato in un sito sportivo l'articolo Sfruttare la scia 
in cui vengono descritte cinque configurazioni di un gruppo di ciclisti utili per sfruttare la scia. In un altro sito c'è L'Aerodinamica nel Ciclismo: la Scia in cui viene detto che dietro al primo ciclista, quello che "apre" l'aria, si forma una zona di bassa pressione, e lo stesso viene mostrato nel video Cycling - Slip Streaming che mostra con una animazione il flusso dell'aria attorno al ciclista ma indica la zona dietro il ciclista addirittura come "vacuum". 

Qualcosa in questo non mi convince. Se c'è una zona di bassa pressione mi aspetto che ci sia un flusso d'aria che dall'esterno della zona si muove verso il suo interno, cioè una specie di risucchio. Per mettere in evidenza il moto dell'aria nella scia, nella preparazione del corso sulla bicicletta avevamo pensato di usare una lamina di sapone, che è molto sensibile ai movimenti dell'aria, sperimentando l'attività chiamata Bolle in scia  

Alla fine delle prove ci siamo fatti questa idea della faccenda: l'aria che fluisce attorno all'oggetto crea una specie di superficie a pressione più alta (cioè una discontinuità di pressione) che si allunga dietro l'oggetto in movimento e circonda un volume di aria, a pressione ambiente, che si muove insieme all'oggetto, quindi alla sua stessa velocità (percepivo questo confine in modo molto netto quando andavo in moto: arrivi dietro un camion ed esci per sorpassarlo, e in quel momento vieni sballottato, stai attraversando il confine della scia). 
Se stai in quel volume delimitato dal fluire dell'aria e mantieni la stessa velocità dell'oggetto non c'è moto relativo fra te e l'aria, quindi la resistenza dell'aria crolla. 
Ma l'indagine prosegue ...

Luce da un mondo appiccicoso

Girellando per il web ho trovato un oggetto che mostra il fenomeno luminoso della triboluminescenza e che non sapevo lo facesse: il nastro adesivo. 

Make Duct Tape Glow!!!  

I miei primi tentativi di riprodurre il fenomeno sono stati frustranti. Ho provato con nastro da pacco, nastro di carta, nastro trasparente da imballaggio, nastro americano: senza risultato. Però nel commento sonoro al video viene detto che ha funzionato solo con un nastro americano (duct tape, o duck tape) della 3M e nei commenti postati vengono date altre marche che funzionano: si tratta, ahimè, di nomi statunitensi, come si chiamano da noi? 
Alla fine ho trovato il nastro giusto: il duct tape della Saratoga. Funziona! La stanza deve essere completamente buia ma non bisogna adattare molto gli occhi: come sa chi guarda il cielo stellato, gli occhi hanno bisogno di tempo per adattarsi al buio ed è molto evidente la differenza fra guardare il cielo dopo un minuto e dopo 20 minuti. 
Ho notato che i nastri che ho provato e non producono il fenomeno sono made in UE, mentre il Saratoga è made in USA: che ci siano differenze nella composizione della colla? o è solo un caso? Dai commenti postati pare che funzioni anche con certi cerotti, quando si toglie dalla parte appiccicosa il foglietto di protezione: anche qui deve essere importante la marca, i cerotti che avevo a casa non mi hanno mostrato proprio nulla. 

La triboluminescenza è l'emissione di luce prodotta da una sollecitazione meccanica (vedi le voci su wikipedia Triboluminescence  e Triboluminescenza, che però è solo un abbozzo, molto povera): nel nostro caso la separazione dei due pezzi di nastro e la rottura dei legami nella colla. 
Conoscevo la capacità di emettere luce dei cristalli di zucchero spezzati violentemente. Tempo fa avevo provato l'esperienza classica con la caramella Polo: stanza completamente oscurata, ne avevo messa una fra le ganasce di una pinza, dopo aver spento la luce avevo aspettato una quarantina di secondi a occhi chiusi per adattare gli occhi al buio, poi avevo stretto la pinza con un colpo secco spezzando la caramella. Avevo visto una debole luminosità blu. Ho letto che si ottiene lo stesso effetto anche colpendo o schiacciando rapidamente i cristalli di zucchero di canna, scelti perchè sono più grossi di quelli del normale zucchero bianco raffinato, ma non ci ho mai provato. 

Ho cercato le caramelle Polo per rifare l'esperienza e verificare i miei ricordi ma qui intorno non ne ho trovate: le fanno ancora? Comunque già che ero lì ho comperato al supermercato alcuni tipi diversi di caramelle dure contenenti zucchero (ho evitato un pacchetto di caramelle dure di menta che proclamavano orgogliosamente di essere "senza zucchero"; i cioccolatini e la liquirizia che compaiono nella foto non servono per l'esperimento :-). La prova è stata deludente. Solo la caramella Monk's classica ha dato un po' di chiarore, le altre sono rimaste buie. Ora ho un sacco di caramelle.  
Alcune foto di luce emessa dalle Polo si trovano qui. Una analisi del fenomeno è nel post Il buco con la luminescenza intorno del blog PASTEUR, BARNARD & CO. Altri riferimenti sono: Luce dallo zucchero (anche dalle caramelle), Scientific experiments at home: wintergreen candy and other triboluminescent materials - dalla Towson University, Baltimore, Candy Triboluminescence.

Ho approfittato della stanza buia per provare un'altra indicazione che avevo letto: usare un elastico. Ho preso un elastico a banda nuovo, ne ho afferrato un segmento fra pollice e indice  delle due mani e ho tirato velocemente: uhau, il segmento tirato si è illuminato in modo ben visibile! Ho afferrato un altro segmento e di nuovo l'effetto, e così via finchè ho completato il giro e tutto l'elastico è stato tirato. A questo punto  l'effetto è praticamente cessato. 

Nella voce Triboluminescence  su wikipedia si accenna a un sonaglio, una specie di maracas, usata dal popolo Ute, contenente cristalli di quarzo che emettono lampi di luce quando il sonaglio viene scosso e i cristalli sbattacchiati l'uno contro l'altro. Il quarzo è solo uno dei cristalli triboluminiscenti, lo sono anche, per esempio, la fluorite, la magnetite e la sphalerite della foto (scaricata da qui ), elencate in questo sito . 

Il nastro adesivo riserva altre sorprese. Nel 2008 alcuni ricercatori statunitensi hanno sperimentato l'emissione di raggi X da parte di un nastro adesivo posto in una camera a vuoto e srotolato: Lo Scotch per raggi X.  
Non è proprio facile ottenere l'effetto, almeno a scuola: alcuni studenti di quarta e quinta del liceo scientifico "Ulisse Dini" di Pisa ci hanno provato. 
Un nastro adesivo, nè speciale nè costoso, è stato usato per realizzare uno strato di grafene, in una ricerca di Andre Geim e Konstantin Novoselov che hanno ricevuto nel 2010 il Premio Nobel per la fisica. Ecco come è stato usato, nelle parole di Novoselov intervistato da Piergiorgio Odifreddi su Repubblica 
"Mi permetta una domanda ingenua. Una traccia lasciata da una matita, quanti strati di grafene contiene? 
Un centinaio, con una matita normale. Da questo punto di vista, noi non abbiamo fatto niente di speciale: abbiamo usato esattamente una matita, solo un po' migliore di quelle comuni, che ci è costata cento sterline. 
E come avete separato uno strato dai cento? 
Con un rotolo di scotch da due sterline. 
Sta scherzando, Mr. Novoselov! 
Sembrerebbe, ma è andata proprio così! Si mette dello scotch sulla traccia  della matita, e si tira: qualcosa ci rimane sopra, e qualcosa rimane sulla carta. Poi si mette dello scotch sullo scotch, e si tira: qualcosa rimane su uno dei nastri, e qualcosa sull'altro. E si continua, fino a quando su uno degli scotch non rimane che uno strato solo. 
E come si fa a saperlo? 
Questo è il problema. Si trasferisce lo strato su un substrato, che costa dieci sterline, e permette di renderlo visibile a occhio nudo. Il costo totale dell'esperimento fu di centododici sterline...."
Vedi anche Graphite, Scotch Tape And Some Silicon Equals World's Thinnest Balloon. 

Riguardo al grafene Le Scienze ha pubblicato parecchi articoli, ecco qui l'elenco.  Una particolarità divertente è che Andre Geim è l'unico scienziato ad aver vinto sia il premio Nobel (2010) sia il premio IgNobel (2000). E gli vogliamo bene per questo! 


Il nastro adesivo americano, il duct tape o duck tape (Is it duck tape or duct tape?), ha un sacco di usi poco ovvi: alcuni sono stati testati dai Mythbusters  che li hanno confermati (e poi vedi, per esempio duct tape creations   e The Great Outdoors Duct Tape Contest, presented by 3M's Scotch Tough Duct Tape).