Di granuli, caffè e spezie

Sto lavorando sul caffè insieme a Enrico, per proporre una nuova attività ai ragazzi dell'Istituto Alberghiero Vespucci. L'idea è partire da un alimento noto, che i ragazzi "maneggiano" a scuola nel loro laboratorio di cucina e usarlo per esplorare fenomeni che possono portare molto lontano o al contrario molto dentro, dentro a un chicco, appunto.

Partiamo da dentro: il modo più semplice di vedere cosa ci sia dentro è provare a tirarlo fuori, a estrarlo. Ho preso dei chicchi di caffè tostati e li ho triturati grossolanamente in un mortaio, ho messo il risultato in due becher diversi, ho aggiunto in uno acqua calda e nell'altro alcol etilico e poi ho filtrato nei cilindri. Ecco il risultato.

A sinistra l'estrazione con acqua calda, a destra con alcol etilico.
Ho ripetuto l'estrazione con il caffè già macinato, molto più fine di quello che avevo preparato io. E' venuto così.
 

Anche in questo caso il colore più scuro l'ho ottenuto dall'estrazione con acqua calda e il più chiaro con alcol etilico. Ma i colori sono diversi da prima, sembra quindi che la differenza dipenda proprio dalla granulometria del caffè.

Ho deciso di usare anche l'alcol etilico perchè su altri "granulari da mangiare", le spezie macinate, mi ha dato un altro risultato interessante, il profumo. Con i chiodi di garofano, triturati nel mortaio, dopo l'aggiunta di alcol e la filtrazione è percepibile bene l'odore tipico di questa spezia, ma non il colore (che si estrae con l'acqua calda). Con la cannella succede il contario.

Tutto questo ha sicuramente a che fare con la solubilità delle molecole responsabili del colore e del profumo, per alcune migliore in acqua, per altre, probabilmente quelle lipofile, in alcol etilico. Si tratta di molecole molto diverse tra loro, a seconda delle spezie, che derivano non solo da piante varie ma anche da parti diverse della pianta (dal calice i chiodi di garofano, dalla corteccia la cannella, dal seme per il caffè).

E per sentire tutto l'aroma (o gli aromi) del caffè e delle spezie come dovrebbe avvenire l'estrazione?
Per il caffè è l'acqua il liquido migliore, ovviamente. Ma quanto deve essere calda? A temperature diverse, infatti, succede questo:

 https://www.youtube.com/watch?v=pswagEyDVn0

Tutti i modi di preparare il caffè nel mondo usano queste variabili (temperatura, granulometria) oltre a tutte le altre (qualità del caffè, strumenti vari) per cercare di rispondere a questa domanda da secoli!

E poi abbiamo continuato a esplorare il comportamento di questo granulare da mangiare, il caffè, a partire da un effetto curioso, ottenuto con i fondi di caffè:

 https://www.youtube.com/watch?v=ddjleIqIXBE

Naturalmente entra (o dovrebbe entrare) in gioco la legge di Bernoulli, ma dove non entra in gioco quando si parla di fluidi!?

Myachi

Stiamo ricominciando a pensare alle attività estive di scienza e sport e mi piacerebbe proporre un po' di giocoleria (è vero, non è propriamente uno sport, ma mi piace troppo). Bisogna scegliere qualcosa che si impari abbastanza in meno di un paio d'ore, e che sia legato a questioni scientifiche interessanti (ma questa è la preoccupazione minore, tutta la giocoleria ha a che fare con temi di fisica).
Sofia mi ha suggerito il myachi, una disciplina che consiste nel far volteggiare un sacchettino piatto pieno di materiale granulare, con l'unico divieto di prenderlo con il palmo delle mani.

Ecco qualche trick:

Non è difficile imparare i movimenti di base e si può evolvere.
Un aspetto interessante è che si può giocolare in gruppo, lanciandosi il myachi.

E' interessante anche la possibilità di costruirsi il proprio myachi, scegliendo il tipo di stoffa e il granulare in base al proprio "stile": un sacchetto di seta scivola più di uno di canapa, il cous cous si comporta in modo un po' diverso dal riso, ecc.
Ci sono utili tutorial in rete, questi sono solo due che ho trovato per primi: How to Play Myachi,  The Fu .
Utili informazioni anche nel sito The myachi blog. 
Ora dobbiamo solo costruircene qualcuno e provarlo per un po', poi decideremo se proporlo.

Giochiamo con la sabbia, ma da ingegneri

Oggi finisce la Settimana dell'ingegneria dedicata alle scuole in visita al museo, domani e dopo si svolge il primo fine settimana dedicato ai visitatori del museo. Sono attività che fanno parte di un progetto europeo più vasto e articolato chiamato Engineer.
Abbiamo proposto tre tipi di attività diverse: la costruzione di automata, la realizzazione di uno strumento musicale a corda, la messa in sicurezza di edifici costruiti su terreni granulari mooolto bagnati.
Ho seguito quest'ultima attività. Il fenomeno è presentato in un video del post Sabbia + acqua = fenomeni interessanti.

I partecipanti ricevono un contenitore con sabbia intrisa d'acqua e una "casa" costituita da tre piastrelle metalliche tenute insieme da un elastico. Hanno a disposizione cannucce, spiedini di legno, pipette, fogli di pellicola per alimenti, pezzi di camera d'aria per intervenire sulla casa e/o il suo ambiente in modo che la casa non si inclini quando si picchietta l'esterno del contenitore simulando un terremoto.
I partecipanti provano il fenomeno, pensano che cosa fare, ricevono i materiali e partono con la costruzione.

Le realizzazioni devono funzionare, cioè evitare che la casa si inclini, e molti le elaborano da un punto di vista "architettonico".

Sabbia + acqua = fenomeni interessanti

Partecipiamo al progetto europeo Engineer sviluppando l'unità legata all'ingegneria geotecnica, quindi ho imparato un po' di cose sui terreni e le loro caratteristiche. Avevo già pasticciato con la sabbia quando mi sono occupato di materiali granulari, ma in genere era sabbia asciutta. L'unico fenomeno con sabbia bagnata che avevo incontrato è il cosiddetto "effetto bagnasciuga" (o forse sarebbe meglio "effetto battigia"?):

The Wet-Sand Effect  http://youtu.be/B_qRh5Y-hO8 

Ho scoperto un altro e sorprendente fenomeno, che avviene quando la sabbia è satura di acqua: la liquefazione del suolo (o Liquefazione delle sabbie come è chiamata su wikipedia italiana - vedi anche la più estesa Soil liquefaction su wikipedia inglese).

Dilatency and Liquefaction of a fine sand from Matt Kuchta on Vimeo.

La liquefazione del suolo non è solo un fenomeno sorprendente, accade a grande scala durante i terremoti che avvengono in località con un terreno di caratteristiche simili: è avvenuto anche durante il terremoto in Emilia e ha contribuito a danneggiare gli edifici (anche un edificio ragionevolmente antisismico ha dei problemi quando si inclina perchè affonda nel suolo).

http://youtu.be/FH84wrnvHpw

Altre informazioni si trovano in Soil Liquefaction web site.
Quando entra in gioco l'argilla la liquefazione diventa ancora più marcata:

Extreme Soil Liquefaction  http://youtu.be/Rd6W2aP2dkA

Un evento provocato da un terreno ricco di argilla è documentato da un filmato del 1978

The Quick Clay Landslide at Rissa - 1978  http://youtu.be/3q-qfNlEP4A

Sembrava tutto. Ma proprio ieri una collega israeliana mi ha segnalato questo video:

Dispatches from the Dirt Lab #2: Building Better Sandcastles from Matt Kuchta on Vimeo

Un palloncino pieno non d'aria ma di farina

Da un po' di tempo abbiamo familiarità con la mano sabbiosa

un guanto di lattice riempito di sabbia che viene messo sotto vuoto con una pompa (usiamo quella che serve a svuotare dall'aria i canotti).

Normalmente prepariamo la mano sabbiosa come dimostrazione svolta dal conduttore dell'attività, perchè resta attaccata alla pompa e non possiamo farla circolare fra i partecipanti. Però per il laboratorio sui materiali a Erica e a me piacerebbe far provare a tutti come si comporta un granulare "impaccato", come diventi malleabile, e ragionare sull'effetto dell'attrito fra i granelli del materiale. Ci sono venuti in mente quei palloncini antistress pieni di farina che circolavano anni fa, perchè non fare quelli? Sembra facile, ma la partenza è stata più difficile del previsto. Abbiamo provato a versare direttamente la farina nel palloncino usando un imbuto ma per tendere un po' il palloncino bisogna premere la farina con un bastoncino e non è così comodo.

Abbiamo provato a riempire il palloncino e aspirare l'aria con la pompa, come facciamo con la mano,  ma non va: per di più la farina rischia di entrare nella pompa (con la sabbia usiamo un filtro realizzato con un pezzetto di collant ma per la farina non è abbastanza fitto). Allora abbiamo provato a sfruttare l'effetto centrifugo per tendere il palloncino, ma ancora niente.

Alla fine siamo riusciti a scoprire quale è la procedura efficace. Eccola.

_serve una bottiglietta vuota di acqua, da 33 cl
_metti nella bottiglia la quantità di farina che deve riempire il palloncino: l'aiuto di un cono di carta è apprezzabile ed è meglio versare nel cono poca farina per volta, se ne metti troppa tutta insieme si forma un tappo fastidioso da eliminare

_gonfia un po' il palloncino
_infila l'imboccatura della bottiglia nell'imboccatura del palloncino

_capovolgi la bottiglia in modo che il palloncino sia in basso e fa scendere la farina dalla bottiglia nel palloncino: strizzare gentilmente la bottiglia aiuta

finalmente la farina è scesa tutta, ma nel palloncino rimangono sacche di aria che vanno eliminate e qui arriva l'idea di Erica:
_tenendo stretto il collo del palloncino staccalo dalla bottiglia, strizza la bottiglia e mantenendola schiacciata rimetti il palloncino sulla sua imboccatura (inutile dire che è meglio essere in due a manipolare palloncino e bottiglia)
_quando lasci libero il collo del palloncino l'aria va nella bottiglia, che è a pressione minore: non importa che salga anche un po' di farina perchè strizzando e rilasciando piano piano la bottiglia  tutta l'aria sale e tutta la farina scende - per aiutare ad aprire le sacche d'aria batti gentilmente il palloncino sul tavolo, picchiettalo con la mano, stringilo e rilascialo
_quando strizzando e rilasciando la bottiglia non sale più farina e schiacciando il palloncino lo senti compatto e malleabile, staccalo dalla bottiglia e annodane il collo
ora il palloncino è pronto per essere modellato

Attenzione a non farsi prendere troppo dalla foga: alla fin fine dovrebbe essere un antistress!

Lattine in discesa

Nel corso di un lavoro con insegnanti abbiamo riprovato la discesa delle lattine lungo un piano inclinato.

La prima lattina è riempita quasi completamente di riso, la seconda è vuota, la terza è riempita circa a metà. Quella riempita a metà dà molta soddisfazione. Scende lentamente perchè rotolando solleva il riso dalla parte a monte: per prima cosa, il baricentro del mucchio di riso non è più sulla verticale dell'asse di rotazione della lattina e la forza peso del riso si oppone alla rotazione (genera un momento opposto a quello che determina la rotazione), e poi il riso che scivola lungo la parte interna della lattina striscia e dissipa energia per attrito, con un secondo effetto di rallentamento. Nella lattina quasi completamente piena il riso può muoversi molto di meno e il piccolissimo spostamento del suo baricentro non incide molto sulla rotazione complessiva.
Diminuendo l'inclinazione del piano si arriva al punto che la lattina piena a metà neppure inizia a rotolare. E si può trovare per tentativi quanto bisogna riempire la lattina perchè a una certa inclinazione del piano non parta.

Per evitare che le lattine slittino sul piano abbiamo inizialmente messo degli O-ring, ma poi abbiamo  riprovato usando elastici: tutto è andato bene. Basta che l'elastico sia di diametro leggermente minore della lattina così bisogna tenderlo un po' ma non troppo.

ecco le lattine pronte per la discesa,
con i loro elastici per una  aderenza  da gara

Così Marco Guido Spartaco racconta quel che accadde in una precedente occasione.

Tina, Pina e Gina erano tre amiche lattine che un bel giorno si sfidarono lungo un piano inclinato. 
Fu come una gara di discesa, però senza sci e senza neve perché ormai era quasi primavera. 
La prima a lanciarsi nel vuoto fu Tina che (vuota anche dentro) voltolò elegantemente lungo il pendio e poi ancora sul pavimento per alcuni metri prima di fermarsi. Toccò quindi a Pina che, piena di sabbia e di gloria, rotolò un pezzo più in là dell’amica dissipando tutta l’energia di partenza contenuta nella sua massa.
Venne poi il turno di Gina, che di sabbia era piena a metà (ma qualcuno diceva: “mezza vuota”). 
Gina, nonostante l’impegno (e la forza di gravità), non rotolò affatto, limitandosi a ruzzolare goffamente poco oltre il nastro di partenza. 

In tanti si sforzarono allora di spiegare un comportamento così poco virtuoso e tra questi il gruppo di discepoli raccolti intorno ad un illustre professore milanese. 
Costoro, scartata l’ipotesi che qualcuno avesse spalmato di colla la pista e constatato altresì che, anche se spinta dalla robusta Pina, la Gina continuava a derapare senza ritegno (invece che rotolare come tutte le sante lattine), cominciarono ad appassionarsi al caso. 
Obiettivo: restituire a quella lattina il rotolamento perduto.

In principio qualcuno suggerì di imbracare la Gina con un elastico prima di affidarla al pendio. Tale proposta, pur rivelandosi di indubbio progresso rispetto alla situazione di partenza, non la faceva però ancora sufficientemente competitiva. E anche la proposta di impanare la Gina con della sabbia (invece che col pan grattato e previo avvolgimento della lattina con nastro adesivo opportunamente rivoltato!) non ebbe il successo sperato. 

ecco Gina
con una croccante impanatura di sabbia
su nastro adesivo al contrario

Anche quella soluzione pur togliendo la lattina dall’imbarazzante “empasse”, non portò miglioramenti significativi. Fu a questo punto che qualcuno cominciò a sospettare che “l’alluminosa pupa” avesse aderito alla Giornata mondiale della lentezza… 
E poi all’improvviso si fece strada l’idea di provare togliere una parte della sabbia contenuta nella lattina, nel tentativo di farla finalmente rotolare in libertà. L’intuizione si rivelò decisiva consentendo alla lattina Gina di fare sempre più strada secondo il principio che… più si svuota e più si ruota!

Tina, Pina e Gina insieme ad alcune amiche

Frana nell'acqua e la forma di una sponda

Devo ammettere di avere una gran passione per i materiali granulari, tipo sabbia, riso, lenticchie, ... Hanno comportamenti non ovvi, e per quanto diffusissimi (pensa alla polvere!) non sono ancora completamente descritti da un insieme di formule. Inoltre non è neppure ovvio classificarli secondo la tradizionale suddivisione solido, liquido, gas, e sono quindi un eccellente punto di partenza per ragionare sul significato e i limiti delle definizioni: ciascun granello è solido, ma l'insieme si comporta spesso come un fluido, per esempio lo si può versare e si adatta alla forma del contenitore. 
Una delle caratteristiche tipiche di un granulare è la pendenza che assume quando forma un mucchio, quello che si chiama angolo di riposo: ogni granulare ha il suo.

Abbiamo realizzato una attività specifica per esplorarlo un po', Il riposo del granulare, ma finora abbiamo lavorato sempre con granulari asciutti, lasciando ad altra occasione il pasticciare con granulari bagnati. 
Ora l'occasione è arrivata, grazie a un progetto per la scuola primaria che riguarda l'interazione di acqua e terriccio nella prospettiva di realizzare uno stagno. L'esperienza ci dice che quando scavi una buca nel giardino trovi in genere terra umida e le pareti della buca possono restare piuttosto ripide, diversamente che se la terra fosse asciutta. Ma le sponde di uno stagno sono inclinate. Allora Stefano e io abbiamo realizzato una cella sigillata con il nastro adesivo tipo americano,  

l'abbiamo riempita per metà di terra, abbiamo bagnato la terra e poi abbiamo riempito di acqua la metà vuota

Il terriccio è franato abbastanza rapidamente e quando l'acqua è tornata limpida si è visto l'angolo di riposo.

Sul fianco posteriore si vede dove era all'inizio la terra bagnata, quindi si apprezza bene quel che è successo. 
E ora, in vista dell'estate dovremmo approfondire il lavoro sui castelli di sabbia? del resto, che si tratti di buona fisica ce lo conferma la NASA, il dotto articolo The physics of sand castles: maximum angle of stability in wet and dry granular media e il più recente Sticky sand.