Tensione superficiale: spiegazione del fenomeno

Una graffetta che galleggia? Una rete sulla superficie dell’acqua? Il sapone che fa a botte con l’acqua? Di cosa si tratta? Ma della tensione superficiale, ovviamente!

Questo articolo mira a dare una semplice spiegazione (adatta ai bambini) della tensione superficiale, un fenomeno responsabile di moltissimi effetti della natura.

Un piccolo esperimento di tensione superficiale

Tensione superficiale spiegazioneRiempite un bicchiere con dell’acqua. Prendete una graffetta e appoggiatela dolcemente sulla superficie. Se non riuscite a posarla sulla superficie, potete porre prima sulla superficie un piccolo pezzo di scottex, poi metterci sopra la graffetta e infine affondare e rimuovere con delicatezza la carta da sotto. In entrambi i modi, noterete che la graffetta galleggia!

Eppure noi sappiamo che il metallo della graffetta è più denso dell’acqua, e quindi dovrebbe sprofondare! Perché allora galleggia?

Tensione superficiale spiegazione

Tensione superficiale spiegazioneNell’acqua posta in un bicchiere, ogni molecola d’acqua attrae a sé le sue compagne circostanti. Tuttavia… Immagina di essere una molecola d’acqua nel bicchiere! Se ti trovi al centro del bicchiere puoi attirare ed essere attirato da ogni molecola che ti sta intorno. Al contrario, se ti trovi sulla superficie dell’acqua, puoi interagire solo con le tue vicine di lato e di sotto, non avendo altra acqua sopra di te. Il punto cruciale è che tutte le molecole d’acqua tirano con la stessa forza: se una molecola ha meno vicine da tirare, dovrà per forza tirare più forte le poche che ha a disposizione!

In questo modo si costruisce uno strato di molecole in superficie che è come se si tenessero strettamente per mano. Ciò permette il galleggiamento di oggetti anche più densi dell’acqua, se hanno forma adeguata (la graffetta non galleggerà se la ponete di punta). La spiegazione della tensione superficiale sta tutta qua: nella tendenza delle molecole dei liquidi a stringersi le une alle altre.

Si può immaginare che la superficie dell’acqua sia costituita da una rete, dove ogni segmento rappresenta il legame che tiene unite due molecole d’acqua. Questa rete è abbastanza tesa che se un esserino sufficientemente piccolo e accorto tenta di camminarci sopra, essa regge e lo tiene a galla. Questo fenomeno è noto come tensione superficiale, mentre la tendenza delle molecole d’acqua a rimanere unite tra loro è detta coesione.

Capire la tensione superficiale… indebolendola!

Per capire davvero la spiegazione della tensione superficiale, come per tutte le cose, è utile provare a romperla. Incoraggiare l’atteggiamento di indagine e sperimentazione nei bambini è molto importante.

In primo luogo, la forza della tensione superficiale varia a seconda del liquido: tutti ce l’hanno, chi più chi meno. Ma cosa succederebbe se riuscissimo ad abbassare abbastanza l’intensità della tensione dell’acqua? Riusciamo ad annullarla, o quasi? Abbiamo ipotizzato che la graffetta galleggi grazie a tale tensione: dunque se le nostre ipotesi sono corrette, e se riuscissimo a indebolire abbastanza la tensione, a un certo punto essa dovrebbe sprofondare. E in effetti così succede!

Con la graffetta ancora a galla, provate a intingere uno stuzzicadenti/cotton-fioc imbevuto di sapone da cucina sulla superficie dell’acqua. Se ripensiamo all’analogia della rete per la tensione superficiale, è come se il sapone ne allargasse le maglie! E le allarga tanto che a un certo punto la graffetta non si regge più sui fili ma cade dentro un buco.

Le molecole di sapone sono rappresentabili da dei bastoncini da una parte idrofili («amante dell’acqua») e dall’altra idrofobi («paurosa dell’acqua»): la parte idrofila si attacca a una molecola d’acqua, mentre quella idrofoba cerca un luogo dove non ci sia acqua. Dove può allora andare? Solo sulla superficie! Quella che era una rete solida, formata dall’acqua, viene così indebolita dal sapone, che fa spuntare le sue code che non vogliono stare dentro l’acqua.

Tensione superficiale spiegazione

Anche se l’abbassamento della tensione superficiale sembra un fenomeno immediato, esso è in realtà graduale. Nell’istante in cui il sapone viene a contatto con l’acqua, la tensione nel punto in cui è stato intinto viene indebolita. Gradualmente, le sue molecole si spargono per l’acqua, indebolendo la tensione intorno alla zona di contatto fino ad arrivare alle pareti del recipiente.

Immaginiamo di congelare la situazione a metà tra l’inizio e la fine: abbiamo al centro un punto in cui la tensione è più debole, e nei suoi dintorni è più forte. Quello che accade è esattamente ciò che succederebbe se, nel mentre di un tiro alla corda, la corda venisse tagliata a metà: i partecipanti verrebbero sbalzati nella direzione in cui stavano tirando. Così, la superficie del liquido tende ad allontanarsi dal punto di contatto con il sapone.

Per sperimentare, provate a prendere un nuovo bicchiere pieno d’acqua, porci sopra uno stuzzicadenti (che galleggia a prescindere dalla tensione superficiale) e intingere il cotton-fioc insaponato. Noterete che si muove, sembra venga spinto via dal punto in cui è arrivato il sapone! In realtà, come abbiamo visto con l’analogia del tiro alla fune, viene tirato verso le parti che ancora hanno una tensione superficiale più alta.

Spunti ecologici

Esistono insetti che, grazie alla tensione superficiale e alla loro conformazione adatta, riescono letteralmente a camminare sull’acqua.

Tensione superficiale - Insetto

Abbiamo però visto che basta una punta di detersivo per indebolire la tensione superficiale e fare sprofondare una graffetta. Cosa succederebbe se gettassimo un po’ di sapone in un lago? D’improvviso, tutti gli insetti la cui vita era basata sul camminare sull’acqua non riuscirebbero più a farlo, e sprofonderebbero.

Gli esperimenti sulla tensione superficiale sono molto utili per aiutare i bambini a capire come funziona il sapone, e che è un agente inquinante, se non debitamente trattato, e che non va disperso nell’ambiente. Lavare la strada con il sapone, e poi lasciare defluire l’acqua insaponata nei tombini è dannoso per l’ecosistema. Grazie agli esperimenti sulla tensione superficiale e alla relativa spiegazione è possibile mostrare ai bambini perché è bene non farlo. Ai bambini non servirà più la regola, perché avranno acquisito la consapevolezza delle conseguenze dell’azione del disperdere il sapone.


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