I segreti delle bolle

Frizzano in una bibita gassata, spumeggiano nella vasca da bagno, spengono gli incendi ma, intrappolate in un vaso sanguigno, possono anche essere fatali.

Una sfera perfetta priva di angoli e di spigoli, che basta un unico numero, cioè la misura del raggio, a definire completamente.

E’ la bolla, una forma che, più o meno segretamente, fa parte di molti aspetti della nostra vita quotidiana. In senso stretto, le bolle sono sacche di gas o di vapore immerse in un’altra sostanza, in genere un fluido o un altro gas.

Il loro diametro può variare da un centesimo di millimetro a parecchi millimetri. Alcune, come quelle formate da un involucro di sapone, incantano con la loro fragilità e la loro mutevole iridescenza.

Altre, come quelle di azoto, possono essere micidiali: intrappolate nei vasi sanguigni, si rivelano spesso fatali per i sub che riemergono troppo in fretta dopo un’immersione in profondità.

Miriadi di bolle formano le schiume: frizzano nelle bevande gassate, spengono gli incendi, rendono bianche le creste delle onde e le cascate.

Ci sono poi le gocce, che rappresentano l’opposto delle bolle d’aria, nel senso che si formano dove l’acqua sostituisce l’aria anziché viceversa.

Scopriamo allora i segreti delle bolle!

1. Quelle nate dal sapone

Soffiare in una cannuccia per vedervi scaturire una cascatella di bolle di sapone è un gioco amato fin dall’antichità, un soggetto preferito da molti pittori fin dal XVII secolo.

«Astucci trasparenti di un respiro», come le aveva definite il poeta romano Trilussa, questi impalpabili involucri fluttuanti nell’aria non sono però solo fonte di divertimento.

Gli scienziati le utilizzano spesso per risolvere complessi problemi matematici relativi allo spazio per una loro straordinaria proprietà: sotto forma di semplici sfere o raccolte in grappoli, occupano sempre il massimo volume con il minimo spazio.

Il primo ad accorgersene e a elaborare la teoria chiamata “delle superfici minime” è stato il fisico belga Antoine Ferdinand Plateau nel 1873.

Considerato il più autorevole degli “schiumologi”, riuscì a fabbricare una soluzione di sapone, acqua e glicerina dalla quale otteneva pellicole che duravano anche 18 ore e potevano essere studiate a lungo.

Plateau si rese conto che una bolla esiste perché il suo involucro esterno ha una certa tensione superficiale che la fa comportare come un foglio elastico.

Proprio alla tensione superficiale è dovuta la sua forma sferica, che il sapone contribuisce a stabilizzare: rinforza le parti più deboli e riduce l’evaporazione facendo durare la bolla più a lungo.

Quando due bolle si fondono, la bolla risultante assume la forma con la minima superficie possibile: il diaframma che le accomuna assume la forma di una protuberanza verso quella più grande perché la più piccola ha una pressione interna maggiore.

Se invece le bolle hanno uguale dimensione, la superficie in comune risulta piatta.

Plateau scoprì anche un’altra proprietà stupefacente delle bolle: soffiando con una cannuccia in una soluzione d’acqua saponata, trovò che gli angoli che le lamine formano tra loro misurano sempre 120°.

2. Ideali per gli architetti

La proprietà delle bolle di coprire sempre con il minimo spazio il massimo volume, ha ispirato molti architetti, fornendo loro una soluzione per creare le strutture più audaci.

È il caso, per esempio, dello stadio olimpico di Monaco di Baviera, progettato nel 1972 dall’architetto tedesco Otto Frei.

La copertura dall’elegante aspetto ondulato è stata concepita immergendo un modellino in scala dentro una grande vasca saponata, dalla quale il liquido è stato fatto defluire molto lentamente: la forma delle bolle rimaste alla superficie del modello è stata poi “tradotta” nelle vere tende sospese sullo stadio.

Anche il cosiddetto Water cube (nella foto), il centro per il nuoto progettato per le Olimpiadi estive di Pechino del 2008 dallo studio australiano PTW Architects, sembra formato da un collage di tante bolle d’acqua irregolari, leggere e luminose.

Infatti, per le pareti esterne e la copertura sono stati utilizzati 4.000 involucri gonfiabili costituiti da una doppia membrana di Etfe, un materiale plastico leggero e trasparente che reagisce al colore del cielo mutando il proprio.

3. Birra e champagne

Dicono che niente sia più affascinante per un fisico dell’osservazione della schiuma che si forma nella birra appena versata.

Schiuma che, secondo lo scienziato russo Andrei Varlamov, è un elemento fondamentale per mantenere intatto l’aroma della bevanda.

Il fenomeno è dovuto al fatto che i produttori pompano questo gas nella bevanda chiudendo poi ermeticamente bottiglie e lattine.

Quando si versa la birra nel bicchiere, la minor pressione e l’intensa turbolenza del liquido permettono all’anidride carbonica disciolta di raccogliersi in bolle.

Queste salgono verso l’alto formando una schiuma corposa. Passato un certo tempo, però, la schiuma sparisce sia perché l’anidride carbonica riesce a sfuggire attraverso le pareti delle bolle sia perché la forza di gravità assottiglia le bolle e ne facilita la rottura.

Meglio quindi affrettarsi a bere. Come la birra, anche lo champagne è un “re” delle bolle, ma in questo caso l’anidride carbonica è prodotta dai lieviti durante la seconda fermentazione in bottiglia.

Quando lo si versa, il gas fuoriesce dal liquido formando delle bollicine sulle impurità presenti nella sua massa o sulla parete del bicchiere, soprattutto sui depositi di calcare e di tartaro o sulle fibre di cellulosa lasciate sul vetro dagli strofinacci con i quali è stato asciugato.

Lo dimostra un esperimento condotto su bicchieri posti in una “camera bianca”, cioè in assenza totale di polvere.

Quando vi si versa lo spumante, non si forma nessuna bollicina: tutte le molecole di anidride carbonica in eccesso sfuggono direttamente attraverso la superficie libera del liquido, che ha l’aspetto di un qualsiasi vino fermo.

4. Rivelatrici di particelle e gli studi sulle tempeste

Nel 1960 il fisico americano Donald Glaser si aggiudicò il Nobel per l’invenzione della cosiddetta camera a bolle, un’idea che pare gli fosse venuta mentre osservava la schiuma della birra in un boccale.

La camera a bolle è un recipiente metallico nel quale l’idrogeno liquido è mantenuto in condizioni di temperatura e pressione appena sotto il punto di ebollizione.

Il recipiente è circondato da un avvolgimento superconduttore che produce un intenso campo magnetico al suo interno.

Quando la pressione vi è fatta rapidamente diminuire, per circa 30 secondi le particelle ionizzanti che penetrano nel liquido formano microbolle, le cui scie appaiono incurvate dal campo magnetico: le particelle a carica positiva in senso antiorario, quelle a carica negativa in senso orario.

Esaminando le foto scattate nella camera a bolle, i fisici possono così determinare la carica e la massa delle particelle che vi sono entrate.

Con le bolle si studia come si scatena una tempesta. Una bolla fa capire il comportamento delle tempeste tropicali, secondo Hamid Kellay, ricercatore dell’Università di Bordeaux, che ha realizzato in laboratorio un mini-pianeta formato da una mezza bolla di sapone.

Le pellicole di sapone sono adatte come modelli dell’atmosfera perché sono molto sottili in rapporto alla loro estensione.

Per verificare come nasce una tempesta, la bolla è riscaldata in basso e raffreddata in alto per produrre sulla sua superficie la formazione di moti convettivi tipici dei fenomeni turbolenti.

Lo studio dell’andamento apparentemente casuale dei vortici sarebbe fondamentale per capire come funziona questa forza della natura e spiegare il comportamento della Grande macchia rossa di Giove, la più grande tempesta del sistema solare che imperversa sul pianeta da oltre 300 anni.

5. Armi letali e l’arte del cappuccino

Armi letali
In natura, ci sono anche “lanciatori di bolle” ingegnosi.
- Un piccolo crostaceo dal suggestivo nome di gambero pistola (Alpheus heterochaelis), per esempio, possiede una chela più grande dell’altra che, invece di terminare con una pinza, ha la forma di una “pistola ad acqua”.
Con questa chela spruzza un getto d’acqua alla velocità di circa 100 km orari, all’interno del quale si forma una minuscola bolla di vapore rovente che, implodendo, produce un rumore da oltre 200 decibel, più forte di quello di uno sparo.
Per cacciare il gamberetto si nasconde in un anfratto e spara il suo colpo contro la preda che si trova a passare di lì. La pressione della bolla è in grado di stordire o uccidere piccoli pesci.
- Non è da meno il pesce arciere (nella foto): il suo palato e l’apertura della bocca sono strutturati per lanciare getti di bolle d’acqua lunghi anche un metro e mezzo verso insetti posati su steli o foglie che pendono sullo stagno. Il getto fa cadere l’insetto in acqua garantendo al pesce il pasto.
Arte del cappuccino
Bollicine così piccole da essere quasi invisibili a occhio nudo: così deve essere composta la schiuma perfetta per un cappuccino.
Anche se prepararla è un’arte, quella dei movimenti della mano del barista, la scienza può essere d’aiuto per fornire delle linee guida.
Prima di tutto il latte da utilizzare: meno è grasso più è facile ottenere una schiuma persistente. Al palato però la differenza tra i tipi di latte si sente e quello intero è da preferire.
Allora è importante partire dal latte freddo tolto dal frigorifero a 5 °C perché l’aria vi si scioglie meglio.
Via via che la temperatura si alza, le proteine del latte cambiano la struttura, contribuendo a stabilizzare le bollicine.
Quando si raggiungono i 65 °C è ora di togliere la schiuma e versarla sull’espresso appena preparato.