fenomeni superficiali

Quando due diverse fasi della materia (aria-acqua, aria-solido, acqua-olio, ecc.) sono a contatto, la loro superficie di separazione (interfaccia) è sede di particolari interazioni chimico fisiche che rivestono un ruolo di fondamentale importanza in fisica, chimica, biologia e nella tecnologia.
Le discussioni che seguono, riassumono gli aspetti principali di tali fenomeni.

tensione superficiale

Consideriamo il recipiente in figura (parte sinistra): il liquido in esso contenuto, è costituito da molecole che, in media, sono distribuite simmetricamente attorno a ciascuna altra molecola, sicché le forze applicate hanno risultante nulla.

molecole all'interno ed alla superficie

Per le molecole che si trovano in superficie (figura sopra, a destra), la situazione è diversa: poiché esiste solo l'interazione con le molecole inferiori (trascurando le interazioni con l'aria e le pareti del recipiente), la risultante è diversa da zero ed è diretta verso l'interno del liquido.
E' chiaro che le molecole che costituiscono lo strato superficiale del liquido sono attirate verso l'interno e tendono così ad occupare la minima superficie possibile. Il risultato di questa attrazione è che la superficie di un liquido si comporta come se fosse una membrana elastica (che come vedremo, è in tensione). Questa membrana ha lo spessore del raggio d'azione entro cui si manifesta l'effetto delle forze intermolecolari e la tensione a cui è sottoposta, prende il nome di tensione superficiale.

esperimento con un cappioCiò premesso, occorre determinare sperimentalmente la direzione in cui agiscono le forze di tensione superficiale. Per far questo, con del filo di ferro abbastanza rigido, si realizza un anello del diametro di una trentina di cm; a questo anello si annoda un filo di cotone con un cappio. Dopo aver immerso questo insieme in una soluzione di acqua saponata, lo si estrae ottenendo una lamina che è contenuta all'intermo del cappio e dell'anello. Bucando con la punta di una matita la membrana interna al cappio di cotone, lo vedrete assumere una forma circolare (foto a sinistra). Questo brisultato avviene a causa della tensione superficiale della rimanente parte di film di soluzione saponosa, che attrae verso di sé il filo di cotone.
Questa esperienza sembra contraddire l'idea che la tensione superficiale sia dovuta al fatto che le molecole in superficie siano attratte verso l'interno del liquido, cioè siano soggette a forze perpendicolari alla superficie del liquido.

In realtà, l'apparente paradosso è di natura semantica: è dovuto all'interscambiabilità dei termini forze intermolecolari (causa) e forze di tensione superficiale (effetto).
Per chiarire questo punto, si consideri l'animazione a in basso a sinistra: il fatto che la molecola centrale sia attirata verso l'interno del liquido, comporta un'attrazione tangenziale tra le molecole ad essa adiacenti a sinistra e a destra (la figura è bidimensionale e quindi non tiene conto delle molecole dentro e fuori il piano dello schermo). Ovviamente le molecole superficiali non possono realmente "cadere" verso l'interno in quanto questo spazio è già occupato dalle molecole sottostanti, ed ecco quindi che la lamina superficiale è soggetta ad una continua tensione che tende a mantenere unito lo strato di molecole in superficie. Per usare un'immagine figurata, è come se la superficie del liquido fosse formata da tante sferette collegate tra loro da molle in tensione che tendono a contrarsi (v. figura sotto, a destra).

molecole connesse tra loro
le forze di coesione verso l'interno producono una tensione tangenziale. le molecole che compongono la "membrana" interfacciale, si comportano come un insieme di sferette collegate tramite molle elastiche.

il regno animale e la tensione superficiale

pond skater
pond skater, foto di Rober Suter (Vassar College, N.Y.)
Un modo per vedere la tensione superficiale in azione è quello di osservare i vani sforzi che fa un insetto per uscire dall'acqua: una volta forata la pellicola superficiale dell'acqua, questa - per minimizzare la sua superficie - si avviluppa attorno al corpo dell'insetto, intrappolandolo.
Al contrario, i pond skaters, gli insetti pattinatori (foto a sinistra), come le idrometre e i gerridi, sfruttano la tensione superficiale per pattinare sull'acqua senza affondare: possono così spostarsi sull'acqua, e cibarsi di quegli insetti che vi rimangono invischiati dalle forze di tensione superficiale.
Questi insetti che camminano sull'acqua sono provvisti di peli superficiali ricoperti di oli, cioé sostanze idrofobe che respingono l'acqua e permettono alla parte terminale delle zampe, costituita da tarso e pretarso, di non forare la membrana superficiale dell'acqua.

La capacità di pattinare sull'acqua, non è però relegata ai soli insetti: ne è capace anche il basilisco. Sebbene il basilisco sia più conosciuto come una creatura mitologica (un serpente con ali di pipistrello, testa e zampe di gallo), in realtà, un animale con questo nome esiste ed appartiene al genere dei Rettili Sauri della famiglia degli Iguanidi. Vive nelle foreste sudamericane, è di colore verde e può raggiungere i 70-80 centimetri di lunghezza, compresa la coda che da sola rappresenta i due terzi dell'intero corpo.

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Il basilisco, come detto, possiede la stupefacente abilità di correre sull'acqua. Può percorrere circa un centinaio di metri correndo sulla superficie di un letto d'acqua in quiete. D'altra parte, il basilisco è troppo pesante (da 28 a 80 g per gli esemplari adulti) per essere sostenuto dalla tensione superficiale; così, se si arresta, o le acque diventano agitate, affonda e prosegue la corsa nuotando.

L'abilità di correre sull'acqua è possibile in quanto il basilisco, benché dotato di quattro lunghe zampe, è uno dei pochi quadrupedi che corre solo su due: si rizza sulle zampe posteriori e si muove in posizione semieretta utilizzando la lunga coda come bilanciere. In questo modo, il basilisco giovane (fino ad un massimo di circa 25 g) può raggiungere una velocità sufficiente (circa 12 km/h) per permettergli di correre sull'acqua grazie ad una serie coordinata di azioni:

  1. quando il basilisco "schiaffeggia" la superficie dell'acqua con le zampe posteriori, l'impatto di questa azione espande le flange sulle punte del suo piede, aumentando la loro larghezza e generando una grande superficie che preme sull'acqua (fotogramma D, in basso);
  2. il piede spinge verso il basso l'acqua, che sommerge l'intera zampa creando una cavità colma d'aria. L'inerzia dell'acqua resiste all'immersione del piede e sostiene la lucertola (fotogramma E);
  3. il basilisco minimizza le forze dirette verso il basso tirando fuori la zampa dall'acqua prima che la cavità collassi attorno alla zampa intrappolandola. Infatti, tirare il piede fuori dall'acqua consumerebbe molta energia per superare l'adesione fra l'acqua ed il piede. Così, appena il basilisco ha creato la cavità, le dita del suo piede si ravvicinano e lo estrae rapidamente mentre è circondato soltanto da un cuscinetto d'aria (fotogramma F).

sequenza della corsa del basilisco

la sequenza del movimento disegnata

Quanto detto vale per i basilischi giovani in quanto, oltre un certo peso, questi rettili possono solo nuotare e quindi abbandonano l'acqua come territorio di caccia, smettendo di competere con i più giovani esemplari affamati.

Dunque, sebbene i basilischi sfruttino forze dinamiche, a differenza dei pond skaters che sfruttano le forze statiche della tensione superficiale, entrambi non perforano la membrana superficiale dell'acqua. Questo è il punto fondamentale: ad esempio, quando un vogatore immerge il remo nell'acqua, spingendo su questa produce la spinta necessaria alla propulsione. Tuttavia, in questo caso, la membrana superficiale dell'acqua viene perforata e l'acqua si avviluppa strettamente al remo con una forza di adesione che per il vogatore può sembrare irrilevante allorché estrae il remo dall'acqua, ma non è certo irrilevante per un insetto o una piccola lucertora.

baghe per camminare sull'acquaNel foglio 26 del codice Atlantico, Leonardo da Vinci illustra un "modo di camminare sopra l'acqua": l'uomo rimane a galla grazie a otri di pelle gonfi d'aria (baghe) fissati sia ai piedi che all'estremità delle due racchette impugnate.
Sebbene l'idea di Leonardo sia stata realizzata con risultati più o meno soddisfacenti, ovviamente non è la stessa cosa che camminare sull'acqua. Torniamo al basilisco: le misure hanno indicato che il suo movimento coordinato produce il 110-225 % della forza necessaria per sostenere il proprio peso. Per fare la stessa cosa, un uomo dovrebbe correre a circa 100 km/h e consumare 15 volte più energia di quanta ne possa produrre.

referenze bibliografiche:
il video è tratto dal sito: www.bedford.k12.ny.us/flhs/science/bio/paulf/notes/propertiesofwater.html

Hu, D.L., Chan, B., and Bush, J.W.M., 2003. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature 424, 663 - 666.
Glasheen, J.W. and T.A. McMahon (1996a). A hydrodynamic model of locomotion in the Basilisk lizard. Nature, 380:340-342.


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