Ancora crepe

Prosegue l'esplorazione delle Crepe.   Mi ricordavo un vecchio articolo che Jearl Walker scrisse nella rubrica "La scienza in casa" della rivista Le Scienze. Stefano ha l'intera raccolta della rivista e me lo ha ritrovato (bravissimo!): "Le crepe che si formano su una superficie sembrano casuali, ma in realtà seguono delle regole", Le Scienze, gennaio 1987, n.221. 
Identifica due tipi principali di reti di incrinature: una è quella che si forma sulla superficie del fango che secca, delle vernici, della maizena, dell'asfalto, l'altra è quella che si è formata in antiche colate laviche, per esempio la Giant's Causeway in Irlanda.  
Il primo tipo può essere ulteriormente suddiviso in sottoclassi, ma senza entrare troppo in dettaglio si vede che spesso le incrinature si incontrano fra loro con angoli ben definiti e ricorrenti:  generalmente 90° o 120°, se non ci sono un bordo o qualche altra discontinuità troppo vicini (vedi anche Playground Patterns of Cracks, una proposta di esplorazione delle crepe dei marciapiedi). 
Riguardo a quel che accade quando il fango o la miscela di acqua e maizena seccano, la crepa si forma in conseguenza di tensioni della superficie, iniziando da un cedimento in un punto e sviluppandosi in lunghezza.

le forze di tensione si concentrano nel vertice della crepa, diventando molto più intense che nelle altre zone e provocando la rottura del materiale al vertice e l'allungamento della crepa stessa (questi e i prossimi schemi sono tratti dall'articolo di Walker).

Walker scrive: "Una fonte di queste forze è la tensione superficiale dell'acqua tra i granuli. A mano a mano che questa evapora, la superficie del liquido che rimane assume forma concava ed esercita una forza di attrazione sui granuli". A complicare le cose, in alcuni casi ci sono anche forze elettrostatiche che si generano fra le superfici dei granuli e le molecole dell'acqua che si trova fra di esse.  

Il reticolo si genera o perchè si forma una nuova crepa lungo una vecchia 

o perchè una, allungandosi e propagandosi nel materiale, ne interseca una già formata 

Se lo vediamo in altre situazioni, il reticolo di incrinature può dare un senso di antico, e per questo viene usato per "invecchiare" un mobile o un dipinto nella tecnica detta craquelè. La mia consorte mi ha detto che avevamo scelto quel tipo di piastrelle anche perchè dopo un po' avrebbero avuto un aspetto più vissuto, "anticato": io non me lo ricordavo per niente (può essere un indizio sullo stato della mia memoria o sul mio grado di coinvolgimento nella scelta delle piastrelle). Quindi mi immagino che lo strato superiore sia ricoperto da una vernice che formi il reticolo di incrinature. Guardando più da vicino le piastrelle ho visto che in effetti alcune hanno sviluppato una leggera rete di incrinature, però molto meno evidente di quelle sotto lo scolapiatti. Là sotto rimane  spesso un velo di acqua, e potrei immaginare che si sia formata la leggera rete che vedo in altre piastrelle e che le singole crepe siano state allargate dall'acqua. Ma non mi immagino attraverso quale meccanismo. L'acqua allarga le crepe nell'asfalto durante l'inverno quando gela e, in genere, quando scorre erode e sottrae materiale. Nel caso del fango, l'acqua che evapora crea tensioni che generano le rotture. Ma nel mio caso è come se l'acqua avesse generato una pressione sulle due facce di ogni crepa. Come? Mah! Non credo che la pressione idrostatica entri in gioco, parliamo di spessori minuscoli. Qualcosa sulla capillarità? 

Finisco, per il momento, sconfinando in un altro campo. L'artista Alberto Burri ha realizzato opere chiamate cretti

 Alberto Burri

Cretto G 3, 1975

http://www.artdreamguide.com/_arti/burri/_work/cretti.htm  

usando questa forma naturale anche in strutture ben più grandi di un quadro: il grande cretto di Gibellina. 

Crepe

Dopo aver lavato i piatti ho pulito il ripiano e ho notato le crepe delle piastrelle. 

In effetti le avevo già viste, ma non notate davvero. Lo strano è che ci sono solo sotto il vassoio scolapiatti, dove è spesso umido; le altre piastrelle non hanno screpolature. 
E a questo punto ho cominciato a notare crepe ovunque.

asfalto della strada 

vernice sulla fiancata di un vagone del mio treno 

cemento sulla banchina della stazione ferroviaria (porta Garibaldi, Milano; già, sono un pendolare, e stazioni e treni sono quel che sono ...)

miscela di acqua e maizena asciugata dopo essere stata abbandonata in laboratorio alla fine delle divertenti attività sui liquidi non-newtoniani

come si formano? a cosa sono dovute le tensioni che le provocano? si assomigliano tutte? è possibile capire quali si formano prima e quali dopo? 

Volley, velocità e urti

Continua la preparazione di "scienza e sport": questa settimana abbiamo dato un'occhiata ravvicinata alla pallavolo. 

Dopo aver scoperto che il colpo a braccia tese del ricevitore si chiama bagher, abbiamo visto che il colpo del pallone in arrivo (in genere una legnata devastante, almeno per me) va assorbito mantenendo le braccia il più possibile solidali con il corpo e flettendo leggermente le gambe, cioè l'urto avviene sulle braccia ma in realtà viene assorbito dalle gambe. Ho anche scoperto colleghi che praticano il volley e che mi hanno dato una mano a capire meglio quel che avviene. 

L'altra questione che salta all'occhio è la velocità di certi colpi, a partire dalla battuta per arrivare alle schiacciate. Mi piacerebbe misurare la velocità in modo molto diretto, usando un dispositivo simile a quello usato dalla polizia per misurare la velocità delle macchine. Cose simili si chiamano speed (o radar) gun e quella che più frequentemente compare nei video di YouTube è della Bushnell, ma non è l'unica casa produttrice a farne (vedi http://www.opticsplanet.net/radar-guns.html). Vengono usate anche per misurare la velocità di palle di baseball e ho visto che se ne trovano a un centinaio di euro, che non è una cifra inavvicinabile. E' possibile misurare la velocità in modo indiretto riprendendo con una telecamera l'oggetto in movimento davanti a una specie di grosso righello e vedendo fotogramma per fotogramma quale è stato lo spostamento, calcolando la velocità - oppure si usa un software di tracking, per esempio Tracker, video analysis and modeling tool, bello e free. Ma sono sistemi indiretti, che richiedono un paio di passaggi e non è comodo usarli su un campo da gioco con attivi ragazzini intorno.  

La velocità è una quantità immediatamente comprensibile, ma come rendere comprensibile le quantità in gioco in un urto? Nelle serie statunitensi tipo Mythbusters usano l'accelerazione, data in unità di g, l'accelerazione di gravità. Immaginando che il battitore imprima alla palla una velocità di 50 km/h (meno della metà di quella data da un giocatore professionista) in 1/10 secondo (un valore forse troppo grande) l'accelerazione è circa 14 g: piuttosto impressionante! ma forse non fa troppa impressione a un ragazzo di 13 anni ...

In altri casi si fornisce fornisce l'altezza dalla quale dovrebbe cadere l'oggetto per sbattere contro il suolo con la stessa energia (cinetica). Nel nostro caso la palla dovrebbe cadere da circa 9,8 m. Rende l'idea (sempre che ci si immagini quanto siano 9,8 m di altezza), ma non considera la rapidità dell'urto. E rende difficile far confronti con urti diversi, p.es. quello fra la racchetta e la pallina da ping pong. L'indagine continua ...

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 ...

Spingere a lato per andare avanti, cercando di restare in equilibrio

Prosegue il lavoro sulla waveboard (l'inizio è in Cavalcare l'onda senza acqua). Questa settimana mi sono dedicato al lavoro teorico perchè lunedì mi sentivo molto (troppo) sicuro e ho provato una conversione a U abbastanza stretta e  veloce: la tavola è andata da una parte e io dall'altra, e poi per terra con un tonfo interessante (ma la tavola non si è fatta niente). Così ho sospeso gli allenamenti in attesa che il fianco mi torni come prima.

L'asse di rotazione del supporto delle ruote non è in verticale e non passa nel centro della ruota. Quando ruoto il supporto la ruota si sposta lateralmente. 

Quando spingo un piede verso il basso a destra la ruota si sposta verso sinistra; in questo modo dà una spinta sul terreno. Poi abbasso il piede dall'altra parte, e così via.
Lo si vede anche in un altro veicolo che usa lo stesso fenomeno: il "plasma car" 

Plasma Car - Not just for kids!!

Una versione diversa chiamata roller racer funziona nello stesso modo.

Il NonLinear Physics Group dell'università di Toronto ha affrontato la questione in The Physics of the Roller Racer and the Plasma Car (questo per dire a tutti, soprattutto al mio direttore, che non sto giocando e perdendo tempo ma conduco un serio lavoro scientifico; è un lavoro duro ma qualcuno deve pur farlo!). Se non bastasse, ecco l'articolo che mi fa da riferimento 
P.S. Krishnaprasad and Dimitris P. Tsakiris, Oscillations, SE(2)-snakes and motion control: a study of the Roller Racer  (sono arrivato agevolmente fino alla seconda figura, poi sono finite le figure)

Il movimento a S è tipico dei serpenti, e si presenta in varie forme. 

Sembra un movimento piuttosto efficiente, ed è stato applicato al movimento di robot.

Snake Robot 

Per un certo periodo avevano pensato di costruire robot simili da spedire su Marte. 

Quanto siano abili i serpenti guardatelo qui (parecchio inquietante). 

Snake climbing brick wall  

Cavalcare l'onda senza acqua

Alice e io abbiamo iniziato a pensare a un campus estivo su scienza e sport. Sono attratto dalla waveboard, quella tavola tipo skateboard ma con due sole ruote che avanza con un movimento ondeggiante molto fluido: andare in waveboard farà parte delle discipline del campus. In effetti non credo si possa parlare di disciplina sportiva, come non lo si fa per lo skateboard, ma non siamo troppo fiscali. Ecco un tutorial, non entusiasmante ma chiaro, su come si usa la tavola. 

http://youtu.be/t3jW6nkGXpU 

Per ogni disciplina esploreremo uno/due aspetti scientifici. Per la waveboard è l'equilibrio e il movimento, come si possa andare in una direzione quando si applica una forza in una direzione diversa (addirittura perpendicolare).  

Ho comperato la waveboard e sto imparando ad andarci. In effetti la cosa si sta allargando a un sacco di colleghi che passano dal laboratorio, ci vedono all'opera e ci provano anche loro. Più o meno in una mezz'ora si comincia a stare in equilibrio e ad accennare il movimento, quindi imparare non è frustrante (per esempio, imparare ad andare in monociclo richiede una certa determinazione perchè passano magari 5/6 ore senza che si riesca a fare altro che cadere, però con sempre maggior stile).

Street Surfing - Team Porto

Forni solari per la bella stagione

Le giornate che si allungano, la neve e un po' di freddo mi fanno immaginare la bella stagione. E per prepararsi alla bella stagione perchè non realizzare un forno solare? 

Costruire il modello più semplice, di cartone, è piuttosto semplice e poco costoso. Ci si mette circa un pomeriggio, avendo prima recuperato tutto quel che serve: sollecitato da Silvia ho ripescato una vecchia scheda che presenta il forno solare e la sua costruzione, e ne ho realizzato uno insieme a mio figlio. 

Al di là del suo uso come strumento didattico e "gadget" interessante, il forno solare viene usato in regioni del mondo in cui c'è penuria di legna da usare come combustibile e/o c'è molto sole, vedi le indicazioni del Solar Cookers World Network. 

Un aggiornamento sulla triboluminescenza. Stefano mi ha dato da provare una caramella che ha preso nella trattoria indiana vicino al museo: è una specie di grosso cristallo di zucchero. Funziona benissimo!