Vetro finto

Durante il periodo pasquale dell'anno scorso abbiamo provato a salvare l'uovo. Mi è tornato in mente in questo periodo, in cui sto pensando ad attività per il rinnovato laboratorio sui materiali: provare quali materiali sono più efficaci nel proteggere dal colpo derivante da una caduta. Possiamo partire dall'esplorazione di caschetti da bici e protezioni da skateboard ed espanderci a protezioni di altro tipo, per esempio gli elementi della suola delle scarpe da running che attutiscono il colpo del tallone sul suolo.
Non è molto conveniente utilizzare in laboratorio le uova, e poi non mi piace lo spreco. Cercando un altro oggetto/materiale ho trovato un finto vetro, il crash glass, usato per esempio per realizzare le vetrate che nei film vengono sfondate dagli attori oppure le bottiglie che, sempre nei film, sono spaccate in testa.
Il materiale di partenza è in granuli biancastri e traslucidi, e va scaldato finchè non diventa fluido

nella prima prova abbiamo usato un fornello elettrico ma ci metteva parecchio tempo

e siamo passati al fornello da campeggio, molto più rapido - nonostante l'aria professionale, Erica sta in effetti giocherellando con il materiale, che dà molte soddisfazioni

Quando è completamente sciolto

lo si versa nello stampo

L'ultimo materiale forma fili e gocce semisolidi (e poi solidi) piuttosto interessanti

Il risultato assomiglia davvero al vetro

anche se non siamo riusciti a eliminare le bollicine di aria.
E' molto fragile, è fatto per questo, e si rompe proprio come il vetro, ma i frammenti non tagliano. Può essere riutilizzato mettendolo di nuovo sul fuoco.

Abbiamo visto che con uno spessore di 1,5 cm la lastrina è abbastanza resistente da non rompersi cadendo da una spanna di altezza, ma si rompe cadendo dall'altezza del tavolo: è quel che volevamo per l'uso in laboratorio. L'attività sarà di proteggere la lastrina dalla caduta dal tavolo.
Ora dobbiamo lavorare sulla velocità e comodità della preparazione delle lastrine. Erica suggerisce di provare a mettere in un fornetto elettrico le forme contenenti la giusta quantità di materiale, così se ne preparano tante in una volta. Proveremo anche il forno a microonde, chissà.

Ti spiezzo in ...!

Ho visto alcuni video realizzati da Janos e Stefano che mostrano il comportamento della silly putty durante gli urti e li ho subito presi per mostrarli qui. 
Non conoscete la silly putty? magari l'avete incontrata come gioco con il nome Micronite, o forse con un altro nome ancora (qui la vendono). 

E' una sostanza plastica malleabile che si può facilmente stirare e ripiegare se non si agisce troppo velocemente, altrimenti se si tira in modo secco e veloce si spezza: ecco un esempio (purtroppo la piattaforma non riesce a caricare i video, ci sto provando da tre giorni e niente, quindi devo ricorrere a un giro un po' macchinoso) . 
Quando la si lascia cadere rimbalza come una pallina, invece di spiaccicarsi come l'argilla. 

La silly putty è un liquido non-newtoniano: cambia viscosità sotto l'azione di una rapida sollecitazione meccanica diventando quasi un solido elastico (Non-Newtonian fluid da wikipedia) 
E' elastica anche se la colpite. Janos e Stefano l'hanno colpita con il peso in caduta di questa macchina che si trova nell'area attiva dedicata all'energia

il peso viene sollevato da una corda collegata alla ruota con manovella, e viene sganciato istantaneamente rilasciando un fermo. In genere viene usata con palline da ping pong lasciandoci cadere sopra un peso e vedendo quanto si deforma/schiaccia la pallina: ci sono a disposizione pesi diversi che possono essere sollevati all'altezza desiderata. 

Janos e Stefano hanno sostituito la pallina da ping pong con la silly putty, facendo cadere il peso da una altezza minima e da una grande altezza (riprese a 1000 fotogrammi al secondo, realizzate con la Casio Exilim EX-FH100). Interessante.

Anche qui una grossa palla di silly putty riceve un colpo notevole, cadendo da un'altezza considerevole 

50 lb ball of silly putty dropped from parking garage

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 ...

Colore rallentato

Sollecitato dall'attività sugli addensanti ho riprovato un'attività di qualche tempo fa.
Ho versato in un piatto fondo usa e getta un po' di shampoo, 1 cm circa di profondità, ho appoggiato il piatto sull'acqua contenuta in un secondo piatto così da eliminare un po' di attrito, ho preso con una siringa senza ago del colorante alimentare e ho tracciato una riga sulla superficie dello shampoo. A questo punto ho fatto ruotare il piatto su se stesso, non molto veloce. Ecco quel che è accaduto:

il colore è scivolato verso il bordo del piatto e si è distribuito tra lo shampoo e il piatto. 
Però non è così che mi ricordavo il risultato dell'attività! Versando lo shampoo mi sono accorto che era molto più viscoso di quanto mi ricordassi. In effetti è in laboratorio da mesi ed è diventato più simile a un gel "fluido". 
Allora ho usato un detersivo liquido per panni: anch'esso è lì da mesi ma sembra rimasto della stessa viscosità di quando lo usai tempo fa. Il risultato è questo:

Ho provato a invertire il senso di rotazione e la linea si è allargata.

Questo è quel che mi ricordavo, ma si è verificato un fatto nuovo. Il confine fra colorante e detersivo si è frastagliato in tante "dita", simili a quelle che si formano nell'attività "Strani fiori sbocciano nel fluido". 

Nello shampoo non è successo.

Quel che accade nella rotazione di un liquido viscoso si può vedere qui

Usano come liquido il corn syrup, una melassa difficile da trovare qui da noi mentre negli Stati Uniti è diffusissima.

Una prova ancor più sorprendente, ma realizzata con una apparecchiatura più impegnativa da realizzare, è questa.