Esperimenti a vapore

Questo articolo accompagna il video “Esperimenti a Vapore”. Si tratta di una introduzione ad alcuni esperimenti che possono accompagnare lo studio di calore e temperatura (scuola primaria), energia (media), termologia (biennio), termodinamica (secondo biennio).   Dall’acqua che bolle in pentola alle nuvole in cielo, tutti conosciamo il vapore. È un tema, tuttavia, che non si afferra mai del tutto, che presenta numerosi risvolti, anche molto profondi, e in questo articolo vogliamo tratteggiarli.

Il termine stesso “vapore” si presta a qualche confusione. Per questo proponiamo in antologia alcune pagine dal libro “La Scienza delle Nuvole” di R.A.R. Tricker (1970). L’autore, che studiò sotto Rutherford al Cavendish, in una delle epoche più memorabili della scienza, divenne poi maestro e preside, e scrisse diversi libri divulgativi che sono delle piccole gemme. La narrazione, che costruisce una bella atmosfera in pieno stile storytelling – è punteggiata di piccoli esperimenti (Link).

L’esperimento di Tricker, che si può visualizzare in uno dei primi esperimenti del video, quello della “Lattina a vapore”, è stato ripreso anche da Craig F. Bohren nel suo “Nuvole in un bicchiere di birra (esperimenti semplici in fisica atmosferica)”. Questi riferimenti ci mostrano una delle applicazioni importanti degli studi su vapore, umidità, pressione, temperatura, dilatazione termica, eccetera: lo studio dell’atmosfera e dei diversi eventi atmosferici.

Abbiamo descritto la “lattina a vapore” anche su Spazzascienza, con riferimento alla eolipila di Erone (Link). L’esperimento serve per illustrare non solo i fenomeni atmosferici quindi, ma anche la forza del vapore, dai primi marchingegni ad Alessandria d’Egitto, fino alle macchine a vapore per pompare l’acqua dalle miniere, e a tutta la rivoluzione industriale.

La Eolipila fa capolino in un racconto di Primo Levi [1], che contiene una critica folgorante delle “dimostrazioni in aula”.

L’interno dell’Istituto di Fisica Sperimentale era pieno di polvere e di fantasmi secolari. C’erano file di armadi a vetri zeppi di foglietti ingialliti e mangiati da topi e tarme; erano osservazioni di eclissi, registrazioni di terremoti, bollettini meteorologici bene addietro nel secolo scorso. Lungo la parete di un corridoio trovai una straordinaria tromba, lunga piu’ di dieci metri, di cui nessuno sapeva piu’ l’origine, lo scopo e l’uso: forse per annunciare il giorno del Giudizio, in cui tutto ciò che si asconde apparirà. C’era una eolipila in stile Secessione, una fontana di Erone, e tutta una fauna obsoleta e prolissa di aggeggi destinati da generazioni alle dimostrazioni in aula: una forma patetica ed ingenua di fisica minore, in cui conta piú la coreografia del concetto. Non è illusionismo né gioco di prestigio, ma confina con loro.

Per questo è importante accompagnare le “dimostrazioni in aula” con la storia della scienza, con il lavoro sperimentale in prima persona, con gli esercizi, con i concetti, con gli oggetti di uso quotidiano. Valorizzare i confini che le dimostrazioni hanno con tutto ciò.

La storia della scienza, con le sue situazioni inaspettate, ci viene incontro con un altro episodio. Siamo nel 1757, a Glasgow. James Watt ha poco più di vent’anni e non gli è stato permesso, dalla Corporazione dei Martellai di Glasgow, di aprire una bottega sua (aveva pochi anni di “apprendistato”). L’Università però lo assume come “Costruttore-riparatore di strumenti matematici”. Diventa amico di alcuni professori (il chimico e studioso del calore latente Joseph Black in particolare) e mette su una piccola officina. Qualche anno dopo Watt deve riparare “un aggeggio”, un modello della Macchina di Newcomen. Si tratta della macchina a vapore inventata nel 1712 che ha cominciato “la rivoluzione del vapore”, usata soprattuto per muovere le pompe nelle miniere.

Watt nota che anche riparato, il modello non funziona tanto bene. Molto calore viene sprecato per scaldare e raffreddare il cilindro, e tutta una serie di difetti. Watt comincia a migliorarlo, e costruisce diversi modelli molto più efficienti. Per passare dal modello alla produzione di macchine Watt incontra poi numerose difficoltà, fine dei fondi, spese per i brevetti… nel 1775 forma una partnership con Boulton (Boulton & Watt) e insieme cominciano a costruire e installare moltissime macchine a vapore.

Vent’anni dopo fondano la “Soho Foundry”, la fabbrica di macchine a vapore, di grandissima importanza nella rivoluzione industriale, per la sua pianificazione, i processi di produzione, le tecniche di management eccetera.

Una veduta della Energy Hall al Museo della Scienza di Londra (foto Wikipedia, autore Rept0n1x)

Oggi la storia delle macchine a vapore si può ammirare nella Energy Hall del Museo della Scienza di Londra, passeggiando tra motori piccoli e motori imponenti. Sul sito del museo sono presenti molte animazioni delle diverse macchine costruite da “Boulton & Watt”: la Old Bess (1777), la Macchina a Vapore Rotativa (1788), la Macchina a Leva a Squadra (1810)…  (LINK)

un'immagine tratta dall'animazione della Old Bess, una macchina a vapore costruita da Boulton & Watt.

Queste animazioni mostrano l’entrata del vapore nei cilindri, lo spostamento dei pistoni, il raffreddamento. Si possono seguire molto bene costruendo piccole macchine con le siringhe, spingendo gli stantuffi.

I diversi esperimenti mostrati nel video “Esperimenti a Vapore” sono raccolti nella Scheda didattica allegata (link). Tra essi la barchetta pop-pop, un giocattolo dell’Ottocento, e il Motore di Stirling, una macchina ad aria calda di cui con molta pazienza è possibile costruire un modellino funzionante.

E così abbiamo visto le due vie che possono prendere le “dimostrazioni in aula”: diventare aggeggi obsoleti e prolissi pieni di polvere e fantasmi secolari, oppure essere riparati e curati e reinventati, sbuffare di vapore e far nascere idee nuove.

NOTA

[1] Nel 1940 a soli 21 anni Primo Levi era laureando in chimica, e aveva chiesto invano a diversi chimici di diventare allievo interno per svolgere le attività sperimentali richieste per la laurea. Trovò invece a Fisica un Assistente, che gli suggerì un soggetto e poté presentare nel 1941 il suo lavoro sperimentale come tesina, intitolata “Comportamento dielettrico del sistema ternario Benzene – Clorobenzene – Cloroformio”. La vicenda è raccontata in uno dei capolavori di Primo Levi, “Il Sistema Periodico” (1975), nel racconto “Potassio”.

Per un approfondimento su “Primo Levi studente” si vedano gli articoli su http://www.primolevi.it/Web/Italiano/Contenuti/Scienza/112_Primo_Levi_e_l’asimmetria. Per un approfondimento sulla “Fisica all’Università di Torino”, si veda il testo di Vittorio de Alfaro (LINK  http://www.ph.unito.it/fisicatoit.html ).

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