Tutto quello che vorreste sapere sulle bolle

In un periodo in cui siccità, inquinamento e precipitazioni violente entrano a far parte della vita quotidiana è interessante rileggere, a dieci anni dalla prima pubblicazione in Italia, il libro di F. Ronald Young, un fisico che ha lungamente lavorato sulle peculiarità delle interazioni tra acqua, aria e materiali sviluppando aspetti di fisica, di chimica e di biologia.

La complessità sotto i nostri occhi

L’autore ci rivela la complessità di fenomeni che incontriamo quotidianamente, a cominciare dal comportamento delle gocce d’acqua nell’aria e, viceversa, delle bolle d’aria nell’acqua. Pressione, tensione superficiale, condensazione regolano quello che ci succede intorno. Guardando il cielo, vediamo come le nuvole cambiano forma e colore, sospinte dalle correnti ascensionali o dai venti d’alta quota. Sensibili ai cambiamenti di temperatura e pressione le minuscole goccioline di vapor d’acqua possono addensarsi in gocce formando la pioggia o assumere configurazioni diverse al variare della temperatura: grossi granelli di grandine, delicatissimi cristalli di neve, aghi di ghiaccio nelle gelide nubi trasparenti che galleggiano negli strati più alti e più freddi dell’atmosfera. La resistenza dell’aria fa cadere lentamente le gocce di pioggia, controbilanciandone il peso fino a quando raggiungono una velocità costante, circa 8 metri al secondo. Le gocce più grandi, invece, si frammentano in gocce più piccole, e raggiungono terra con un diametro di circa 5,5 millimetri. Sostanze diverse hanno comportamenti diversi, basta guardare come si divide un sottilissimo filo d’acqua che esce dal rubinetto o come gli schizzi formati da una goccia d’acqua che cade nell’acqua sono diversi da quelli di una goccia di latte che cade nel latte. Le belle foto a colori di questi fenomeni aiutano a vedere quello che spesso abbiamo sotto gli occhi.

Gocce e liquidi

In condizioni di luce appropriate, le minuscole goccioline d’acqua rimaste nell’atmosfera dopo una pioggia dividono la luce del sole nelle sue componenti con diverse lunghezze d’onda formando splendidi arcobaleni; l’atmosfera piega i raggi al tramonto facendoci ammirare nel cielo tutte le gradazioni dal rosso all’arancio, e sempre l’atmosfera incurva verso i nostri occhi un bagliore di luce verde un attimo prima che la luce del sole non possa più raggiungerci direttamente.

La tensione superficiale, che forma una specie di velo su qualsiasi superficie di acqua, rende perfettamente sferiche le gocce nell’aria, ma viene modificata da saponi, tensioattivi o surfattanti. Gli studi di Plateau nel XIX secolo hanno dimostrato che, immergendo un filo metallico in una soluzione saponosa, la pellicola di sapone si distende sempre sulla minima area possibile, e se si immergono nella saponata due anelli paralleli, la pellicola che li unisce non ha forma di cilindro ma di catenoide. In natura la tensione superficiale permette a molti insetti di sostenersi sull’acqua ed i legami deboli tra molecole di acqua e la superficie dei vasi conduttori nelle piante ne assicurano la salita fino alle altezze dei “giganti della giungla”. Dalle foglie l’acqua traspira, mantenendo l’umidità nell’atmosfera e modificando il clima: la desertificazione ha conseguenze rilevanti sulla vita degli organismi e non solo sulla economia umana.

In natura esistono molte sostanze idrorepellenti che, rivestendo le superfici di strati impermeabili, impediscono l’evaporazione, o permettono la condensazione di gocce d’acqua. In condizioni di siccità la rugiada così condensata rappresenta una importante risorsa e, raccolta sulle foglie o sulle superfici chitinosi di insetti, può dissetare animali e piante.

Giocare con le bolle

Dandoci una semplice ricetta di saponata, Young ci invita a giocare con le bolle di sapone, in cui una sottile pellicola separa una aria interna da una esterna. La pressione interna diminuisce all’aumentare del raggio della bolla, spiega Young ma, se la bolla collassa nonostante l’elasticità della pellicola, la pressione interna aumenta e la fa scoppiare: l’energia si libera come vibrazioni dell’aria che noi sentiamo come suono. Le sonorità dei mari in tempesta sono dovute allo scoppiare di miriadi di bollicine d’aria.

Anche i pesci giocano con le bolle e se ne possono servire per catturare le prede. Le megattere costruiscono reti di bolle scendendo sotto un branco di pesciolini e risalendo poi in superficie emettendo bolle in un percorso a spirale. I pesciolini si concentrano al centro di questa spirale e il cetaceo, con la bocca aperta, si immerge e ripercorre la rete verso l’alto ingoiando il suo cibo.

Per i fisici, le camere sature di nebbia o le più efficienti camere a bolle sono state fondamentali per lo studio delle particelle elementari. Queste apparecchiature circondate da potenti campi magnetici sono riempite di particolari sostanze come idrogeno, elio o neon, e vengono attraversate da particelle ionizzanti che possono lasciare una scia di bolle lungo il loro percorso. A seconda della loro carica, positiva o negativa, vengono deviate dal campo magnetico e la condensazione che ne rende visibile la traiettoria permette di interpretare le loro caratteristiche.

Bolle pericolose

La tecnologia umana è spesso causa di inquinamento, o provoca danni alla sopravvivenza di altre specie. Per esempio, le turbine delle centrali idroelettriche possono essere pericolose per pesci che vengono trascinati dal violento flusso d’acqua e muoiono perché non tollerano i ripidi gradienti di pressione provocati dalle bolle sulle lame delle turbine.

Le eliche sono pericolose, in mare e nei laghi: e con la loro rotazione in acqua, sia nei fuoribordo da diporto sia nelle grandi navi (come il Titanic), generano una configurazione elicoidale di bolle che può provocare danni.  Mentre le pale girano, infatti, cresce la velocità dell’acqua in cui sono immerse mentre la pressione dell’acqua stessa diminuisce, si formano  allora bolle di vapore ad alta pressione che possono collassare danneggiando l’elica.

Bolle di luce

Un curioso effetto descritto da Young è la sonoluminescenza, dovuta al fatto che bolle generate in un liquido, collassando, possono produrre una luce fredda, azzurrognola. Quando l’aria dentro la bolla, viene compressa in un volume piccolissimo, si scalda fino a diventare incandescente ed emette luce. L’energia delle bolle che si rompono genera anche onde sonore, per esempio provocando i rumori che sentiamo nelle tubature del lavandino o negli scarichi delle lavatrici. Anche nei metalli liquidi si può osservare luminescenza e Young racconta come, nelle sue attività di dottorato, fosse riuscito a misurare la sonoluminescenza emessa da bolle generate da vibrazioni sonore nel mercurio, naturalmente liquido.

Bolle come farmaci

L’ultimo capitolo del libro descrive le applicazioni delle bolle in medicina, usate come aerosol ma anche come veicoli specializzati per trasportare farmaci in precise destinazioni. La ricerca scientifica non ha mai fine e certo numerosi progressi sono stati compiuti dal tempo in cui è stato scritto questo libro. Le bolle trovano sempre nuove applicazioni, nei settori più disparati ma, conclude Young guardando figli e nipoti giocare a fare bolle di sapone, l’unica degna definizione di bolla è “gioia spontanea”. Chi ha passato l’infanzia facendo bolle colorate soffiando delicatamente nelle cannucce non può che essere d’accordo.

Credit immagine: Kind and Curious su Unsplash