Scienze: come spiegare la tensione superficiale con 4 esperimenti

È facile nella bella stagione osservare alcuni insetti che camminano sull’acqua di stagni, paludi e laghetti. Si tratta della simpatica idrometra dalle lunghe zampe e di vari gerridi, ma anche le comuni zanzare sono capaci di tanto. Se si osserva la superficie dell’acqua nel punto in cui è appoggiata la zampetta si osserverà che essa è leggermente incurvata in basso, così come un telo si piega quando vi si appoggia un oggetto. Questa proprietà dell’acqua è chiamata tensione superficiale e ha una sua spiegazione.

TENSIONE SUPERFICIALE: COS'È?

Una molecola d’acqua tende sempre a restare legata alle sue simili, ovvero si dice che le molecole d’acqua possiedono una notevole forza di coesione. Le molecole che si trovano in superficie però sono attratte solo dal basso e non dall’alto per cui i fisici dicono che la forza risultante di questa specie di "tiro alla fune" è diretta verso il basso. Accade così che questa forza si traduce in una tensione che resiste trattenendo in superficie corpi non troppo pesanti . È una specie di "pellicina" dell’acqua, la stessa che racchiude le gocce insomma. Se osservate cosa succede ad un rubinetto chiuso male potete notare che si forma una goccia che resta appena fino a che la gravità prevale e la fa cadere. Il “sacchetto” che contiene la goccia è formato da molecole d’acqua unite dalla tensione superficiale. Ed è la gravità a dare alla goccia la sua caratteristica forma, altrimenti per le gocce non vi sarebbe motivo per non essere sferiche.

I corpi che si appoggiano su questa “pellicina” non lo fanno grazie alla spinta di Archimede perché il loro peso specifico è in realtà un po’ superiore a quello dell’acqua e di questo ci accorgeremo con l’esperimento della graffetta che sta a galla sulla tensione superficiale ma solo a patto che siamo bravi ad appoggiarla sulla superficie dell’acqua! In effetti è più corretto usare il termine “appoggiarsi” sull’acqua piuttosto che “galleggiare” sull’acqua. La tensione superficiale è però un problema quando si vuole fare il bucato, lavare le stoviglie o qualsiasi altro oggetto. Le molecole d’acqua infatti come si è detto amano alla follia le loro simili e per nulla molecole di sostanze diverse come ad esempio quelle dei grassi. E ciò che vogliamo lavare via dai panni o dalle stoviglie è spesso costituita proprio dai grassi tanto odiati dall’acqua.

Che fare dunque? Ci vogliono i tensioattivi, ovvero sostanze attive contro la tensione superficiale, composti chimici in grado di convincere le molecole d’acqua a mollare un po’ la presa con le loro simili. Il termine tensioattivi lo trovate scritto su tutte le etichette di saponi, shampoo e detersivi vari. Sono molecole particolari con una estremità idrofila che si unisce alle molecole d’acqua e una lipofila che si unisce ai grassi (lipidi) della sporcizia. Abbassando le difese della tensione superficiale, permettono il contatto tra acqua e grassi e quando si risciacqua ecco che il serpentone dei tensioattivi se ne va con l’acqua e …i grassi attaccati alla coda!

Nell’esperimento con cenere e detersivo ci si renderà conto di questo fatto, cioè della capacità dei detersivi di rompere la tensione superficiale. Un terzo esperimento ha a che fare con il proverbio “La goccia che fa traboccare il vaso”, letteralmente. Se si sarà particolarmente bravi conservando una calma molto zen si riuscirà a formare all’imboccatura del contenitore usato una bella cupoletta d’acqua che poi con l’ultima goccia aggiunta si romperà di colpo lasciando fuoriuscire ben più di una sola goccia.

Beh anche la tensione superficiale ha i suoi limiti! Infine ci renderemo conto di come l’acqua riesca a formare la sua “pellicola” di tensione superficiale sfruttando la trama e l’ordito di una tela di garza. Se capovolgo un contenitore pieno d’acqua senza tappo si rovescia, ma se ci metto all’imboccatura una garza ne uscirà solo una piccola quantità iniziale mentre l’altra resterà nel contenitore trattenuta dalla pressione atmosferica che premerà sulla garza e sulla tensione superficiale dell’acqua che si comportano come farebbe un coperchio.

SCHEDA OPERATIVA 1

Obiettivo:
Appoggiare un oggetto sull’acqua sfruttando la tensione superficiale

Materiale:
Graffetta, acqua, bacinella o bicchiere

Svolgimento:
Riempire il contenitore di acqua, quindi appoggiare delicatamente una graffetta sull’acqua avendo cura di mantenerla in posizione orizzontale. Una tecnica idonea consiste nell’appoggiare la graffetta su un dito, immergere il dito in acqua mantenendo la graffetta sul pelo dell’acqua, poi lasciare la graffetta.

SCHEDA OPERATIVA 2

Obiettivo:
Dimostrare gli effetti della tensione superficiale combinati con la pressione atmosferica

Materiale:
Bottiglietta , garza, elastico, acqua

Svolgimento:
Assicurare con un elastico una garza ben tesa al collo della bottiglia e capovolgerla constatando che il contenuto rimarrà nella bottiglia.

Se si scuote la bottiglia o se si tocca la garza uscirà un po’ d’acqua perché così facendo si romperà temporaneamente la tensione superficiale.

È quello che accade quando ci si trova in una tenda in campeggio e c’è umidità depositata all’esterno. Se si tocca la tela traspirante ci si bagna.

SCHEDA OPERATIVA 3

Obiettivo:
Dimostrare fisicamente il detto “La goccia che fa traboccare il vaso

Materiale:
Bicchiere o bottiglietta, acqua contagocce

Svolgimento:
Riempire il contenitore di acqua fin quasi al bordo, poi con un contagocce aggiungere acqua osservando che si riesce ad arrivare oltre il bordo e che si forma una piccola cupola convessa in cui l’acqua è trattenuta dalla tensione superficiale. Ad un certo punto aggiungendo ancora acqua la tensione non reggerà più e l’acqua traboccherà.

SCHEDA OPERATIVA 4

Obiettivo:
Dimostrare l’effetto dei tensioattivi sulla tensione superficiale

Materiale:
bacinella, acqua, detersivo, cenere, contagocce

Svolgimento:
Appoggiare sulla superficie dell’acqua un po’ di cenere poi con un contagocce depositare al centro una piccola quantità di detersivo. Si osserverà al’istante la migrazione delle particelle di cenere verso i bordi del contenitore perché il tensioattivo nel punto in cui è depositato rompe la tensione superficiale. Alcune particelle di cenere non più trattenute dalla tensione superficiale si depositeranno sul fondo.

Una variante dell’esperimento può essere fatta ritagliando da un piatto di plastica un frammento a cui si darà una forma aerodinamica ritagliando nel retro un piccolo incavo triangolare. Lì si depositerà una goccia di tensioattivo che rompendo la tensione superficiale provocherà l’avanzamento della “barchetta”. Si può anche inserire nel “motore” della barchetta una scaglia di sapone. Si possono organizzare così gare tra barchette diverse avendo cura ogni volta di cambiare l’acqua nel contenitore.