Impariamo la fisica e insegniamo ai bambini senza lasciare la cucina

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Trascorriamo 1-2 ore in cucina ogni giorno. Qualcuno di meno, qualcuno di più. Detto questo, raramente pensiamo ai fenomeni fisici quando cuciniamo la colazione, il pranzo o la cena. Ma non ci può essere maggiore concentrazione di loro nelle condizioni quotidiane che in cucina, nell'appartamento. Una buona occasione per spiegare la fisica ai bambini!

1. Diffusione

Siamo costantemente di fronte a questo fenomeno in cucina. Il suo nome deriva dal latino diffusio - interazione, dispersione, distribuzione.

Questo è il processo di reciproca penetrazione di molecole o atomi di due sostanze adiacenti. La velocità di diffusione è proporzionale all'area della sezione trasversale del corpo (volume) e alla differenza di concentrazioni, temperature delle sostanze miscelate. Se c'è una differenza di temperatura, imposta la direzione di propagazione (gradiente) - dal caldo al freddo. Di conseguenza, si verifica un allineamento spontaneo delle concentrazioni di molecole o atomi.

Questo fenomeno si può osservare in cucina quando si diffondono gli odori. Grazie alla diffusione dei gas, seduti in un'altra stanza, si può capire cosa sta cucinando. Come sapete, il gas naturale è inodore e ad esso viene aggiunto un additivo per facilitare l'individuazione delle perdite di gas domestico.

Un odorizzante come l'etil mercaptano aggiunge un odore pungente. Se il bruciatore non si accende la prima volta, possiamo sentire un odore specifico, che conosciamo fin dall'infanzia come l'odore del gas domestico.

E se getti i chicchi di tè o una bustina di tè nell'acqua bollente e non mescoli, puoi vedere come l'infuso di tè si diffonde nel volume di acqua pura.

Questa è la diffusione dei liquidi. Un esempio di diffusione in un solido sarebbe la salatura di pomodori, cetrioli, funghi o cavoli. I cristalli di sale nell'acqua si scompongono in ioni Na e Cl, che, muovendosi caoticamente, penetrano tra le molecole delle sostanze nella composizione di verdure o funghi.

2. Cambio di stato di aggregazione

Pochi di noi hanno notato che in un bicchiere d'acqua rimasto, dopo pochi giorni, la stessa parte dell'acqua evapora a temperatura ambiente come quando si fa bollire per 1-2 minuti. E quando congeliamo cibo o acqua per i cubetti di ghiaccio nel frigorifero, non pensiamo a come ciò accada.

Nel frattempo, questi fenomeni di cucina più comuni e comuni sono facilmente spiegabili. Un liquido ha uno stato intermedio tra solidi e gas.

A temperature diverse dall'ebollizione o dal congelamento, le forze di attrazione tra le molecole in un liquido non sono così forti o deboli come nei solidi e nei gas. Pertanto, ad esempio, solo ricevendo energia (dai raggi solari, molecole d'aria a temperatura ambiente), le molecole liquide dalla superficie aperta passano gradualmente nella fase gassosa, creando una pressione di vapore al di sopra della superficie liquida.

La velocità di evaporazione aumenta con un aumento della superficie del liquido, un aumento della temperatura e una diminuzione della pressione esterna. Se la temperatura viene aumentata, la tensione di vapore di questo liquido raggiunge la pressione esterna. La temperatura alla quale ciò avviene è detta punto di ebollizione. Il punto di ebollizione diminuisce al diminuire della pressione esterna. Pertanto, nelle zone montuose, l'acqua bolle più velocemente.

Al contrario, quando la temperatura scende, le molecole d'acqua perdono la loro energia cinetica al livello delle forze di attrazione tra di loro. Non si muovono più caoticamente, il che consente la formazione di un reticolo cristallino come quello dei solidi. La temperatura di 0°C alla quale ciò avviene è detta punto di congelamento dell'acqua.

Quando congelato, l'acqua si espande. Molte persone potrebbero conoscere questo fenomeno quando mettono una bottiglia di plastica con una bevanda nel congelatore per un rapido raffreddamento e se ne dimenticano, e poi la bottiglia scoppia. Quando viene raffreddato a una temperatura di 4 ° C, si osserva prima un aumento della densità dell'acqua, al quale vengono raggiunti la sua densità massima e il volume minimo. Quindi, a temperature da 4 a 0 ° C, si verifica un riarrangiamento dei legami nella molecola dell'acqua e la sua struttura diventa meno densa.

A una temperatura di 0 ° C, la fase liquida dell'acqua si trasforma in solida. Dopo che l'acqua si è completamente congelata e si è trasformata in ghiaccio, il suo volume aumenta dell'8,4%, il che porta allo scoppio della bottiglia di plastica. Il contenuto di liquidi in molti prodotti è basso, quindi non aumentano di volume in modo così evidente quando sono congelati.

3. Assorbimento e adsorbimento

Questi due fenomeni quasi inseparabili, chiamati dal latino sorbeo (assorbire), si osservano, ad esempio, quando si scalda l'acqua in una pentola o in una pentola. Un gas che non agisce chimicamente su un liquido può comunque esserne assorbito a contatto con esso. Questo fenomeno è chiamato assorbimento.

Quando i gas vengono assorbiti da corpi solidi a grana fine o porosi, la maggior parte di essi si accumula densamente e viene trattenuta sulla superficie dei pori o dei grani e non si distribuisce in tutto il volume. In questo caso, il processo è chiamato adsorbimento. Questi fenomeni possono essere osservati quando si fa bollire l'acqua: le bolle si separano dalle pareti di una casseruola o di un bollitore quando vengono riscaldate.

L'aria rilasciata dall'acqua contiene il 63% di azoto e il 36% di ossigeno. In generale, l'aria atmosferica contiene il 78% di azoto e il 21% di ossigeno.

Il sale da cucina in un contenitore scoperto può bagnarsi a causa delle sue proprietà igroscopiche: l'assorbimento del vapore acqueo dall'aria. E il bicarbonato di sodio funge da adsorbente quando viene messo in frigorifero per rimuovere gli odori.

4. Manifestazione della legge di Archimede

Quando siamo pronti per cuocere il pollo, riempiamo la pentola d'acqua circa la metà o ¾, a seconda delle dimensioni del pollo. Immergendo la carcassa in una pentola d'acqua, notiamo che il peso del pollo nell'acqua si riduce notevolmente e l'acqua sale fino ai bordi della pentola.

Questo fenomeno è spiegato dalla forza di galleggiamento o legge di Archimede. In questo caso, su un corpo immerso in un liquido agisce una forza di galleggiamento, pari al peso del liquido nel volume della parte sommersa del corpo. Questa forza è chiamata forza di Archimede, così come la legge stessa, che spiega questo fenomeno.

5. Tensione superficiale

Molte persone ricordano gli esperimenti con pellicole di liquidi, che venivano mostrati nelle lezioni di fisica a scuola. Un piccolo telaio metallico con un lato mobile è stato immerso in acqua saponata e poi estratto. Le forze di tensione superficiale nel film formate lungo il perimetro hanno sollevato la parte mobile inferiore del telaio. Per mantenerlo immobile, un peso gli è stato sospeso quando l'esperimento è stato ripetuto.

Questo fenomeno può essere osservato in uno scolapasta: dopo l'uso, l'acqua rimane nei fori sul fondo di questi utensili da cucina. Lo stesso fenomeno può essere osservato dopo aver lavato le forcelle: ci sono anche strisce d'acqua sulla superficie interna tra alcuni denti.

La fisica dei liquidi spiega questo fenomeno come segue: le molecole liquide sono così vicine tra loro che le forze di attrazione tra di loro creano tensione superficiale nel piano della superficie libera. Se la forza di attrazione delle molecole d'acqua del film liquido è più debole della forza di attrazione sulla superficie del colino, allora il film d'acqua si rompe.

Inoltre, le forze di tensione superficiale sono evidenti quando versiamo cereali o piselli, fagioli in una casseruola con acqua o aggiungiamo grani tondi di pepe. Alcuni grani rimarranno sulla superficie dell'acqua, mentre la maggior parte affonderà sul fondo sotto il peso del resto. Se premi leggermente sui grani galleggianti con la punta di un dito o un cucchiaio, supereranno la tensione superficiale dell'acqua e affonderanno sul fondo.

6. Bagnare e stendere

Il liquido versato può formare piccole macchie su un fornello unto e una singola pozzanghera sul tavolo. Il fatto è che le molecole liquide nel primo caso sono più attratte l'una dall'altra che dalla superficie del piatto, dove c'è un film grasso non bagnato dall'acqua, e su un tavolo pulito l'attrazione delle molecole d'acqua sulle molecole di la superficie del tavolo è superiore all'attrazione reciproca delle molecole d'acqua. Di conseguenza, la pozza si diffonde.

Questo fenomeno è anche legato alla fisica dei liquidi ed è legato alla tensione superficiale. Come sai, una bolla di sapone o goccioline di liquido hanno una forma sferica a causa delle forze di tensione superficiale.

In una gocciolina, le molecole liquide sono attratte l'una dall'altra più fortemente rispetto alle molecole di gas e tendono all'interno della gocciolina liquida, riducendo la sua superficie. Ma, se c'è una superficie bagnata solida, allora una parte della goccia al contatto viene allungata lungo di essa, perché le molecole del solido attraggono le molecole del liquido e questa forza supera la forza di attrazione tra le molecole del liquido.

Il grado di bagnatura e diffusione su una superficie solida dipenderà da quale forza è maggiore: la forza di attrazione delle molecole di un liquido e le molecole di un solido tra di loro o la forza di attrazione delle molecole all'interno di un liquido.

Dal 1938, questo fenomeno fisico è stato ampiamente utilizzato nell'industria, nella produzione di articoli per la casa, quando il materiale Teflon (politetrafluoroetilene) è stato sintetizzato nel laboratorio DuPont.

Le sue proprietà sono utilizzate non solo nella produzione di pentole antiaderenti, ma anche nella produzione di tessuti e rivestimenti impermeabili e idrorepellenti per vestiti e scarpe. Il teflon è riconosciuto dal Guinness dei primati come la sostanza più scivolosa al mondo. Ha una bassissima tensione superficiale e adesione (adesione), non si bagna con acqua, grasso o molti solventi organici.

7. Conducibilità termica

Uno dei fenomeni più comuni in cucina che possiamo osservare è il riscaldamento di un bollitore o dell'acqua in una pentola. La conduttività termica è il trasferimento di calore attraverso il movimento delle particelle quando c'è una differenza (gradiente) di temperatura. Tra i tipi di conducibilità termica, c'è anche la convezione.

Nel caso di sostanze identiche, la conducibilità termica dei liquidi è inferiore a quella dei solidi e superiore a quella dei gas. La conduttività termica di gas e metalli aumenta con l'aumentare della temperatura e quella dei liquidi diminuisce. Siamo costantemente di fronte alla convezione, sia che mescoliamo la zuppa o il tè con un cucchiaio, sia che apriamo una finestra, sia che accendiamo la ventilazione per arieggiare la cucina.

Convezione - dal latino convectiō (trasferimento) - un tipo di trasferimento di calore quando l'energia interna di un gas o di un liquido viene trasferita da getti e correnti. Distinguere tra convezione naturale e forzata. Nel primo caso, gli strati di liquido o di aria si mescolano essi stessi quando vengono riscaldati o raffreddati. E nel secondo caso, c'è una miscelazione meccanica di un liquido o di un gas - con un cucchiaio, un ventilatore o in un altro modo.

8. Radiazione elettromagnetica

Un forno a microonde è talvolta chiamato forno a microonde o forno a microonde. L'elemento principale di ogni forno a microonde è un magnetron, che converte l'energia elettrica in radiazione elettromagnetica a microonde con una frequenza fino a 2,45 gigahertz (GHz). Le radiazioni riscaldano il cibo interagendo con le sue molecole.

I prodotti contengono molecole dipolo contenenti cariche elettriche positive e negative sulle loro parti opposte.

Queste sono molecole di grassi, zuccheri, ma soprattutto le molecole di dipolo sono nell'acqua, che si trova in quasi tutti i prodotti. Il campo a microonde, cambiando continuamente direzione, fa vibrare le molecole ad alta frequenza, che si allineano lungo le linee di forza in modo che tutte le parti cariche positive delle molecole "guardino" in una direzione o nell'altra. Si verifica l'attrito molecolare, l'energia viene rilasciata, che riscalda il cibo.

9. Induzione

In cucina, puoi trovare sempre più fornelli a induzione, che si basano su questo fenomeno. Il fisico inglese Michael Faraday scoprì l'induzione elettromagnetica nel 1831 e da allora è impossibile immaginare la nostra vita senza di essa.

Faraday ha scoperto il verificarsi di una corrente elettrica in un anello chiuso a causa di un cambiamento nel flusso magnetico che passa attraverso questo anello. Un'esperienza scolastica è nota quando un magnete piatto si muove all'interno di un circuito a forma di spirale di un filo (solenoide) e in esso appare una corrente elettrica. Esiste anche un processo inverso: una corrente elettrica alternata in un solenoide (bobina) crea un campo magnetico alternato.

Un moderno fornello a induzione funziona secondo lo stesso principio. Sotto un pannello riscaldante in vetroceramica (neutro alle oscillazioni elettromagnetiche) di una tale stufa è presente una bobina di induzione attraverso la quale scorre una corrente elettrica con una frequenza di 20-60 kHz, creando un campo magnetico alternato che induce correnti parassite in uno strato sottile (strato di pelle) del fondo di un piatto di metallo.

La resistenza elettrica riscalda le stoviglie. Queste correnti non sono più pericolose dei piatti roventi sui normali fornelli. Le pentole devono essere in acciaio o ghisa con proprietà ferromagnetiche (attira un magnete).

10. Rifrazione della luce

L'angolo di incidenza della luce è uguale all'angolo di riflessione e la propagazione della luce naturale o della luce delle lampade è spiegata da una doppia natura ondulatoria: da un lato, queste sono onde elettromagnetiche e dall'altro, particelle-fotoni, che si muovono alla massima velocità possibile nell'Universo.

In cucina, puoi osservare un fenomeno ottico come la rifrazione della luce. Ad esempio, quando sul tavolo della cucina c'è un vaso trasparente con fiori, gli steli nell'acqua sembrano spostarsi al limite della superficie dell'acqua rispetto alla loro continuazione all'esterno del liquido. Il fatto è che l'acqua, come una lente, rifrange i raggi di luce riflessi dagli steli nel vaso.

Una cosa simile si osserva in un bicchiere di tè trasparente, in cui è immerso un cucchiaio. Puoi anche vedere un'immagine distorta e ingrandita di fagioli o cereali sul fondo di una pentola profonda di acqua limpida.