Dita e fontane di sale

Due fenomeni per osservare le magie delle differenze di stabilità e di densità

Dita e fontane di sale

Cosa sono le dita saline? Se vogliamo vederle basta riempire un recipiente trasparente con acqua fredda e poi versare lentamente acqua calda e salata, tinta con del colorante alimentare per distinguerla da quella fredda con cui viene a contatto e poi si mescola. Sì, ma come avviene il mescolamento?

Intanto, per partire da una situazione iniziale stabile, evitiamo di produrre schizzi, e per questo ci serviamo di una spugna di quelle per la pulizia della pentole per versare lentamente su di essa l’acqua calda che scivolerà lentamente giù nell’acqua fredda; le due masse d’acqua saranno così inizialmente separate l’una dall’altra. Con una giusta dose di sale e senza rimuovere la spugna, dopo pochi minuti vedremo le “dita” di acqua calda salina e colorata che si protendono nell’acqua fredda e viceversa.

La stabilità iniziale che vede le due masse d’acqua separate dura poco perché il calore si trasferisce dall’acqua calda alla fredda attraverso l’interfaccia che le separa. Qui si creano delle piccole onde di perturbazione da cui hanno origine le protuberanze simili a dita; esse dovrebbero smussarsi ,ma il sale che è esterno alle protuberanze dirette verso l’alto e dentro quelle dirette verso l’alto tende a farle allargare e le fa assomigliare proprio a delle dita. Si potrebbero ottenere anche delle dita zuccherine, usando acqua calda zuccherata anziché salata, ma il sale risulta più veloce dello zucchero nella loro propagazione.

Il fenomeno delle dita saline è annoverato tra i fenomeni legati alla convezione in fluidi stratificati. E’ a tutti noto che, ponendo una pentola con dell’acqua su un fornello, l’acqua più vicina alla sorgente di calore si scalda per prima e, diventando meno densa, sale in superficie, lasciando che l’acqua più fredda scivoli lungo le pareti della pentola per prendere il suo posto. Questa è la convezione, la modalità di trasmissione del calore che interessa i fluidi, i liquidi e gli aeriformi.

Nel 1956 il grande oceanografo americano Henry Stommel pubblicò un articolo dal titolo “Una curiosità oceanografica: la fontana salina perpetua” In questo articolo egli sosteneva che utilizzando un lungo tubo di rame  ( o altro metallo buon conduttore di calore) immerso nell’oceano si poteva ottenere una specie di “moto perpetuo” dell’acqua, la fontana salina. Ad innescare il movimento continuo dell’ acqua sarebbe sufficiente la spinta iniziale fornita da una pompa che provvede a spingere l’acqua dal basso verso l’alto.

Ma come funziona la fontana di sale? Anche questo si può sperimentare facilmente. Occorre un recipiente trasparente contenente acqua fredda e un bicchiere di carta con un foro praticato sul fondo. S’immerge il bicchiere nell’acqua capovolto, trattenendolo sotto la superficie dell’acqua per evitare che galleggi, e si aggiunge acqua calda e salata nel recipiente. Versando alcune gocce di colorante alimentare in prossimità del foro del bicchiere si potrà vedere il flusso di acqua fredda che risale nel bicchiere, si scalda attraverso il calore che riceve dall’acqua calda al di là della parete del bicchiere, diventa più leggera e giunta al foro viene a contatto con l’acqua salata che è più densa e perciò continua la sua risalita oltre il foro stesso.

Ebbene, secondo Stommel nell’oceano si verificherebbe un processo simile che garantirebbe lungo il tubo di rame un movimento continuo dell’acqua più fredda e meno salata che dal fondo risalirebbe verso l’alto non potendosi mescolare col sale che si trova all’esterno del tubo. Temperatura e salinità sono state e sono tuttora oggetto di ricerca dei cosiddetti fenomeni doppiamente diffusivi che non riguardano solo gli oceani.

Alla fine degli anni ‘40 del secolo scorso, ad esempio, si ipotizzò da parte di fisici stellari che fenomeni come quello delle dita di sale potessero concorrere alla convezione stellare; in questo caso il fluido è il plasma stellare di idrogeno ionizzato e il ruolo del soluto è svolto solitamente dall’elio. E ancora i fenomeni doppiamente diffusivi interessano i geofisici che studiano la solidificazione del magma e la convezione nel mantello terrestre e in metallurgia svolgono il loro ruolo nei processi industriali che producono manufatti a partire da materiali fusi.

 

Fonti bibliografiche e sitografiche 

Ithaca: Viaggio nella Scienza VIII, 2016 

Jearl Walker "Il luna park della fisica" Saggi Zanichelli 2008

https://www.nap.edu/read/5859/chapter/19#338

https://daltonsminima.wordpress.com/

Scritto da Elena Stante

Laureata in Matematica nel 1981 presso l’Università degli Studi di Bari, dal 1987 al 2023 ha insegnato Matematica e Fisica presso il Liceo Ginnasio Aristosseno di Taranto .Ha partecipato ai progetti ESPB, LabTec, IMoFi con il CIRD di Udine e a vari concorsi nazionali ed ha collaborato con la nomina di Vice Direttore per la regione Puglia alla rivista online Euclide, giornale di matematica per i giovani. Le piace correlare la scienza al cibo, nonché indagare su storie e leggende, e con Prodigus inizia il suo percorso di redazione di contenuti golosi per gli utenti del web.

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