Fisica L26 San Raffaele

Fisica è l'esame di fisica classica del primo anno di L26 San Raffaele: 6 CFU che vanno dalle misure alla meccanica, dall'energia e dal calore all'elettricità, dalle onde elettromagnetiche ai fluidi. La particolarità del programma ufficiale è che quasi ogni legge è accompagnata da un'applicazione in cucina o nel settore agro-alimentare: la bilancia e la centrifuga per le forze, il frigorifero e la pentola a pressione per la termodinamica, grill e frullatori per i circuiti, lampadine e forni per le onde, schiume, gel ed emulsioni per i fluidi. È la base fisica di diversi esami successivi del corso di laurea, dalle tecnologie alimentari all'analisi degli alimenti.

Di cosa parla il programma

Il programma ufficiale (cod. 0262206FIS07) è diviso in sei unità didattiche, e la scheda precisa che ogni modulo è propedeutico al successivo: conviene affrontarli uno alla volta, nell'ordine in cui sono presentati. I moduli alternano lezioni teoriche ed esercitazioni svolte: nell'elenco pubblicato in scheda, 7 titoli su 39 (introduzione esclusa) sono esercitazioni, dedicate a energia potenziale ed elastica, moto circolare, quantità di moto, propagazione del calore, legge di Stevino e principio di Archimede.

Argomenti del programma da approfondire

Gli argomenti seguono l'ordine delle unità didattiche, che in questo corso è anche un ordine logico: le misure danno il linguaggio, la meccanica introduce forza ed energia, e con l'energia si spiegano calore, elettricità e onde. L'ultima unità riprende pressione, forze ed energia e le applica a liquidi e gas. Per ogni legge trovi l'applicazione che il programma le associa, perché è proprio il legame tra principio fisico e tecnologia a caratterizzare questo esame rispetto a un corso di fisica generale.

Metodo scientifico e grandezze fisiche

La fisica studia i fenomeni naturali attraverso grandezze misurabili, e il metodo scientifico è il procedimento con cui lo fa: si osserva un fenomeno, si formula un'ipotesi, la si mette alla prova con un esperimento ripetibile e si confrontano i risultati con le previsioni. Se l'ipotesi supera le verifiche diventa una legge, di solito scritta come relazione matematica tra grandezze; se non le supera, va corretta o abbandonata. È il metodo sperimentale associato a Galileo Galilei, ed è il motivo per cui ogni argomento del corso parte da una misura.

Una grandezza fisica è una proprietà che si può misurare, cioè confrontare con un'unità di riferimento: il risultato è un numero seguito da un'unità di misura. Il Sistema Internazionale (SI) fissa sette grandezze fondamentali; tutte le altre sono grandezze derivate, ottenute combinando le fondamentali. La velocità si misura in m/s, la forza in newton (1 N = 1 kg·m/s²), la pressione in pascal (1 Pa = 1 N/m²), l'energia in joule (1 J = 1 N·m), la potenza in watt (1 W = 1 J/s).

Collegamento: le grandezze della fisica vanno dalle dimensioni di un atomo alle distanze astronomiche. Per scriverle e convertirle servono la notazione scientifica e le equivalenze.

Notazione scientifica ed equivalenze

In notazione scientifica un numero si scrive come un coefficiente compreso tra 1 e 10 moltiplicato per una potenza di 10: la velocità della luce, circa 300.000.000 m/s, diventa 3 × 10⁸ m/s; lo spessore di un foglio di carta, circa 0,0001 m, diventa 1 × 10⁻⁴ m. I prefissi del SI abbreviano le stesse potenze: kilo (k) = 10³, mega (M) = 10⁶, giga (G) = 10⁹, milli (m) = 10⁻³, micro (µ) = 10⁻⁶, nano (n) = 10⁻⁹. L'esponente dà a colpo d'occhio l'ordine di grandezza, il primo controllo sulla plausibilità di un risultato.

Le equivalenze esprimono una misura in un'altra unità senza cambiarne il valore fisico. Il metodo più sicuro è moltiplicare per fattori di conversione uguali a 1: per passare da km/h a m/s si moltiplica per (1000 m / 1 km) e per (1 h / 3600 s), cioè si divide per 3,6, e 72 km/h diventano 20 m/s. In cucina e nei laboratori alimentari ricorrono 1 L = 1 dm³ = 10⁻³ m³, 1 mL = 1 cm³, 1 kcal ≈ 4,18 kJ (il joule è l'unità del SI, e le etichette nutrizionali riportano l'energia in entrambe le unità) e il passaggio ai kelvin, T = t(°C) + 273,15.

Collegamento: scrivere correttamente un numero non basta: bisogna sapere quanto ci si può fidare della misura, e questo dipende dallo strumento.

Strumenti di misura

Ogni strumento ha caratteristiche che ne fissano i limiti. La portata è il valore massimo che può misurare (5 kg per una bilancia da cucina); la sensibilità è la più piccola variazione della grandezza che riesce ad apprezzare (1 g per la stessa bilancia); la prontezza indica quanto rapidamente risponde a una variazione della grandezza. La sensibilità fissa anche l'incertezza minima di una lettura: con un righello millimetrato non ha senso scrivere 12,37 cm.

Il programma chiede di saper usare correttamente tre strumenti. Il calibro misura lunghezze, diametri esterni e interni e profondità; la scala mobile, il nonio, permette di leggere frazioni di millimetro, fino a 0,05 mm in un calibro ventesimale. Si chiudono i becchi sull'oggetto senza forzare e si legge la tacca del nonio che coincide con una tacca della scala fissa. Il cronometro digitale ha una sensibilità di 0,01 s, ma se è azionato a mano l'incertezza reale è dominata dal tempo di reazione di chi lo usa, dell'ordine di un decimo di secondo o più. Il termometro indica la propria temperatura: la lettura è corretta solo quando ha raggiunto l'equilibrio termico con il corpo da misurare, e bisogna attendere che il valore si stabilizzi. Per gli alimenti in cottura si usa la sonda al cuore, perché il centro è il punto che si scalda per ultimo.

Collegamento: con grandezze, unità e strumenti in ordine, la seconda unità descrive i corpi e il loro moto. Prima serve distinguere due tipi di grandezze.

Grandezze scalari e vettoriali

Alcune grandezze sono descritte completamente da un numero con la sua unità: massa, tempo, temperatura ed energia sono grandezze scalari. Altre richiedono anche una direzione e un verso: spostamento, velocità, accelerazione e forza sono grandezze vettoriali. Dire che una forza vale 10 N non basta: bisogna dire lungo quale direzione agisce e in quale verso. Un vettore si rappresenta con una freccia caratterizzata da modulo (l'intensità), direzione e verso.

I vettori si sommano con la regola del parallelogramma, o disponendoli uno di seguito all'altro. Due forze da 3 N e 4 N applicate allo stesso punto danno una risultante di 7 N se sono concordi, di 1 N se sono opposte e di 5 N se sono perpendicolari, per il teorema di Pitagora. Spesso conviene scomporre un vettore nelle sue componenti lungo due assi perpendicolari e lavorare su ciascun asse separatamente: è la tecnica con cui si studiano il moto parabolico e i corpi su un piano inclinato. Il calcolo vettoriale si affronta anche nell'esame di matematica del primo anno.

Collegamento: posizione, velocità e accelerazione sono vettori. Con questo linguaggio si può descrivere il moto.

Cinematica e moto rettilineo

La cinematica descrive il moto senza occuparsi delle cause. Il primo passo è scegliere il modello: se le dimensioni del corpo sono trascurabili rispetto al moto, lo si tratta come un punto materiale (un camion su un percorso di 100 km); se conta anche come ruota, serve il modello del corpo rigido, che si vedrà con l'equilibrio.

La velocità media è il rapporto tra spostamento e tempo impiegato, v = Δs/Δt. Nel grafico spazio-tempo, con il tempo in ascissa e la posizione in ordinata, la velocità è la pendenza della curva: una retta indica velocità costante, una retta più ripida una velocità maggiore, un tratto orizzontale un corpo fermo. L'accelerazione misura quanto rapidamente cambia la velocità, a = Δv/Δt, in m/s².

Due moti rettilinei vanno saputi con le loro leggi. Nel moto rettilineo uniforme la velocità è costante e s = s₀ + v·t: il grafico spazio-tempo è una retta. Nel moto uniformemente accelerato l'accelerazione è costante, v = v₀ + a·t e s = s₀ + v₀·t + ½·a·t²: il grafico spazio-tempo è un arco di parabola. L'esempio tipico è la caduta libera: trascurando l'aria, ogni corpo vicino alla superficie terrestre accelera verso il basso con g ≈ 9,81 m/s². Lasciato cadere da fermo, dopo 1 s ha una velocità di circa 9,8 m/s e ha percorso circa 4,9 m.

Collegamento: combinando due moti rettilinei su assi diversi, o facendo cambiare direzione alla velocità, si ottengono i moti nel piano.

Moto parabolico e moto circolare

Il moto parabolico è quello di un corpo lanciato con una velocità non verticale. Si scompone in un moto rettilineo uniforme in orizzontale e in un moto uniformemente accelerato in verticale, dovuto alla gravità: i due moti sono indipendenti, e la loro combinazione produce una traiettoria a forma di parabola. In assenza di resistenza dell'aria, a parità di velocità iniziale la gittata massima si ottiene con un angolo di lancio di 45°.

Nel moto circolare uniforme un corpo percorre una circonferenza con velocità di modulo costante. Il tempo di un giro è il periodo T, il numero di giri al secondo è la frequenza f = 1/T (in hertz), e la velocità angolare ω = 2π/T misura l'angolo descritto nell'unità di tempo; la velocità lungo la circonferenza è v = ω·r. Anche se il modulo della velocità non cambia, la sua direzione cambia di continuo: c'è quindi un'accelerazione, diretta verso il centro, l'accelerazione centripeta a = v²/r = ω²·r. Al moto circolare il corso dedica un'esercitazione, ed è la grandezza chiave per capire la centrifuga.

Collegamento: la cinematica dice come si muove un corpo. Per capire perché si muove così servono le forze.

Forze fondamentali e principi della dinamica

Una forza è un'interazione capace di modificare lo stato di moto di un corpo o di deformarlo; si misura in newton, ad esempio con un dinamometro. Tutte le forze note derivano da quattro interazioni fondamentali: gravitazionale (tra masse, sempre attrattiva, dominante su scala astronomica), elettromagnetica (tra cariche, all'origine di quasi tutte le forze della vita quotidiana, dall'attrito alla tensione superficiale), nucleare forte (tiene insieme i nuclei atomici) e nucleare debole (responsabile di alcuni decadimenti radioattivi).

Le tre leggi della dinamica collegano forze e moto:

• Primo principio (inerzia): se la risultante delle forze su un corpo è nulla, il corpo resta fermo o prosegue di moto rettilineo uniforme.
• Secondo principio: la risultante delle forze è uguale alla massa per l'accelerazione, F = m·a. A parità di forza, un corpo di massa doppia accelera la metà: la massa misura l'inerzia, cioè la resistenza a cambiare velocità.
• Terzo principio (azione e reazione): se un corpo A esercita una forza su B, B esercita su A una forza uguale e opposta. Le due forze agiscono su corpi diversi, e per questo non si annullano.

Collegamento: i principi valgono per qualunque forza. Nelle applicazioni reali ricorrono sempre le stesse: il peso, l'attrito, le forze elastiche.

Forza peso, attrito e forza elastica

La forza peso è l'attrazione gravitazionale della Terra, P = m·g, diretta verso il basso. Massa e peso sono grandezze diverse: la massa (kg) è una proprietà del corpo e non cambia, il peso (N) dipende dal valore di g. Un sacchetto di farina da 1 kg pesa circa 9,8 N sulla Terra e circa 1,6 N sulla Luna, dove g è circa sei volte più piccola, ma la sua massa resta 1 kg.

Un corpo appoggiato su un tavolo non cade perché il piano esercita una reazione vincolare perpendicolare alla superficie, che equilibra il peso. La forza di attrito si oppone allo scorrimento tra due superfici a contatto ed è proporzionale alla forza che le preme l'una contro l'altra, F = μ·F_N, dove μ è il coefficiente d'attrito; l'attrito statico, che impedisce l'avvio del moto, è in genere maggiore di quello dinamico. La forza elastica, con cui una molla deformata tende a riprendere la forma iniziale, segue la legge di Hooke, F = −k·x: è proporzionale alla deformazione x e diretta in verso opposto, e k (in N/m) è la costante elastica della molla. Su questa legge si basano dinamometri e bilance a molla.

Collegamento: finora i corpi erano punti. Un corpo esteso, però, oltre a spostarsi può ruotare: per stabilire se resta in equilibrio servono baricentro e momento delle forze.

Baricentro, equilibrio e leve

Un corpo rigido è un corpo che non si deforma: le distanze tra i suoi punti restano costanti, e il suo moto può essere una traslazione, una rotazione o una combinazione delle due. La capacità di una forza di far ruotare un corpo attorno a un punto si misura con il momento della forza, M = F·b, dove b è il braccio, la distanza tra il punto e la retta d'azione della forza. Per questo una porta si apre più facilmente spingendo lontano dai cardini.

Il baricentro è il punto in cui si può considerare applicato tutto il peso del corpo. Un corpo rigido è in equilibrio se sono nulle sia la risultante delle forze (non trasla) sia la somma dei momenti (non ruota). Un corpo appoggiato resta in equilibrio se la verticale che passa per il baricentro cade dentro la base d'appoggio: una pila di piatti o una torta a più piani diventano instabili quando il baricentro si alza o si sposta verso il bordo. L'equilibrio è stabile se il corpo, spostato di poco, riprende la posizione iniziale, instabile se se ne allontana, indifferente se resta nella nuova posizione.

Le lezioni su forze, corpi rigidi e macchine applicano il momento alle leve, le macchine semplici più diffuse; il testo delle unità non le nomina, quindi conviene verificarne il dettaglio in piattaforma. Una leva è in equilibrio quando F·b_F = R·b_R: la forza motrice per il suo braccio uguaglia la resistenza per il suo. Se il braccio della forza è più lungo di quello della resistenza, basta una forza minore della resistenza, e la leva è vantaggiosa.

Collegamento: la leva di primo genere con bracci uguali è la bilancia più antica. Con la centrifuga, l'altra applicazione di questa unità, si riprende invece il moto circolare.

La bilancia e la centrifuga

La bilancia a bracci uguali è in equilibrio quando i pesi sui due piatti sono uguali; poiché g è la stessa per entrambi, confronta direttamente le masse, e darebbe lo stesso risultato anche sulla Luna. La bilancia a molla misura invece l'allungamento di una molla, cioè una forza: misura il peso, e indica grammi solo perché è tarata sul valore di g del luogo. Anche le bilance elettroniche misurano una forza attraverso una piccola deformazione, letta però per via elettrica: le ritroverai nell'unità sui circuiti.

La centrifuga sfrutta il moto circolare per separare componenti di densità diversa. Ruotando velocemente, il contenitore esercita sul contenuto la forza centripeta che lo mantiene in traiettoria circolare; le particelle più dense, per inerzia, tendono a proseguire in linea retta e si spostano verso l'esterno, mentre quelle meno dense restano più vicine all'asse. Per chi ruota con il contenitore è come se agisse una forza verso l'esterno, la forza centrifuga, che è una forza apparente. L'efficacia si esprime in multipli di g: con un raggio di 10 cm e 3.000 giri al minuto (50 giri al secondo, ω = 2π·50 ≈ 314 rad/s) l'accelerazione è ω²·r ≈ 9.870 m/s², circa 1.000 volte g. Una separazione che per semplice decantazione richiederebbe ore si ottiene così in poco tempo: nel settore agro-alimentare le centrifughe si usano per scremare il latte separando la panna, per estrarre l'olio dalla pasta di olive, per chiarificare i succhi e per estrarre il miele dai favi.

Collegamento: le forze dicono come cambia il moto. Per collegare meccanica e calore serve un concetto più generale, che attraversa tutto il resto del corso: l'energia.

Lavoro, energia e potenza

Una forza compie lavoro quando sposta il suo punto di applicazione: L = F·s·cos θ, dove θ è l'angolo tra forza e spostamento, e si misura in joule. Il lavoro è massimo se forza e spostamento sono paralleli, nullo se sono perpendicolari (la forza verticale con cui si regge un vassoio camminando in piano non compie lavoro) e negativo se la forza si oppone allo spostamento, come l'attrito. L'energia è la capacità di un sistema di compiere lavoro, e si misura anch'essa in joule. La potenza è il lavoro compiuto, o l'energia trasferita, nell'unità di tempo: P = L/t, in watt. Un'unità pratica è il kilowattora, l'energia fornita in un'ora da una potenza di 1 kW: 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.

Le forme di energia della meccanica sono tre, tutte oggetto di lezioni ed esercitazioni:

• Energia cinetica, legata al moto: K = ½·m·v². Raddoppiando la velocità quadruplica. Il lavoro totale compiuto su un corpo è uguale alla variazione della sua energia cinetica (teorema dell'energia cinetica).
• Energia potenziale gravitazionale, legata alla posizione: U = m·g·h, misurata rispetto a un livello di riferimento scelto.
• Energia potenziale elastica, immagazzinata in una molla deformata: U = ½·k·x².

Accanto a queste, il programma considera l'energia termica, quella chimica (contenuta negli alimenti e nei combustibili), l'energia elettrica, quella radiante trasportata dalle onde elettromagnetiche e l'energia nucleare.

Collegamento: le forme di energia si trasformano l'una nell'altra, ma il totale non cambia. È il principio di conservazione, il filo che lega tutte le unità successive.

Conservazione dell'energia

In assenza di attriti e resistenze, l'energia meccanica — la somma di energia cinetica e potenziale — si conserva: K + U = costante. Un corpo lasciato cadere da un'altezza h trasforma energia potenziale in cinetica, m·g·h = ½·m·v², quindi arriva in basso con v = √(2·g·h), indipendentemente dalla massa: da 1 m di altezza, circa 4,4 m/s. Una molla compressa che lancia una pallina verso l'alto trasforma energia elastica in cinetica, e poi in potenziale mentre la pallina sale.

Quando ci sono attriti l'energia meccanica diminuisce, ma non sparisce: diventa energia termica, e i corpi si scaldano. Il principio generale è che l'energia totale di un sistema isolato si conserva: si trasforma da una forma all'altra, ma non si crea né si distrugge. Un esempio che collega fisica e alimentazione: 100 kcal corrispondono a circa 418 kJ, un'energia che in teoria basterebbe a sollevare una persona di 70 kg di circa 600 metri (h = E / m·g). In pratica l'organismo converte in lavoro meccanico solo una parte dell'energia degli alimenti, e il resto diventa calore.

Collegamento: oltre all'energia c'è un'altra grandezza che si conserva, indispensabile per studiare gli urti: la quantità di moto.

Nelle videolezioni: quantità di moto e urti

Il testo delle unità didattiche non li nomina, ma tra le lezioni compaiono Urti ed Esercitazione: la quantità di moto: conviene controllarne i contenuti direttamente in piattaforma. La quantità di moto di un corpo è il prodotto della massa per la velocità, p = m·v, una grandezza vettoriale che si misura in kg·m/s. Il secondo principio si può scrivere anche come F·Δt = Δp: l'impulso di una forza è uguale alla variazione di quantità di moto che produce. A parità di variazione di velocità, allungare la durata dell'impatto riduce la forza: è il principio degli imballaggi che proteggono frutta e uova.

In un sistema isolato la quantità di moto totale si conserva. Negli urti questo vale sempre, mentre l'energia cinetica si conserva solo negli urti elastici. Negli urti anelastici una parte dell'energia cinetica diventa calore e deformazione, e se i corpi restano uniti (urto completamente anelastico) la perdita è la massima possibile. Esempio: un carrello di 2 kg a 3 m/s urta un carrello identico fermo e i due proseguono agganciati. La quantità di moto, 6 kg·m/s, si conserva, quindi la velocità finale è 1,5 m/s; l'energia cinetica scende da 9 J a 4,5 J.

Collegamento: l'energia persa negli urti e negli attriti diventa energia termica. Per capire che cosa sia, la terza unità passa dagli oggetti alle molecole.

Temperatura, calore e teoria cinetica

Nel linguaggio comune calore e temperatura si confondono, in fisica no. La teoria cinetica descrive la materia come un insieme di molecole in continuo movimento: la temperatura è legata all'energia cinetica media di queste molecole, che in un gas perfetto è proporzionale alla temperatura assoluta (E = 3/2·k_B·T, con k_B costante di Boltzmann). Il calore è invece energia in transito, che passa spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo finché i due raggiungono la stessa temperatura, l'equilibrio termico. Un corpo non contiene calore: possiede energia interna, e scambia calore.

La temperatura si misura in gradi Celsius (0 °C e 100 °C corrispondono alla fusione del ghiaccio e all'ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica) o in kelvin, la scala assoluta del SI, che parte dallo zero assoluto, 0 K = −273,15 °C. Un intervallo di 1 K è uguale a un intervallo di 1 °C.

Le proprietà termiche della materia dicono come un corpo risponde al calore. Il calore specifico c è l'energia necessaria per alzare di 1 K la temperatura di 1 kg di sostanza, e il calore assorbito è Q = m·c·ΔT. L'acqua ha un calore specifico elevato, circa 4.186 J/(kg·K): per scaldare 1 kg d'acqua da 20 °C a 100 °C servono circa 335 kJ, ed è per questo che l'acqua e le preparazioni ricche d'acqua si scaldano e si raffreddano lentamente. La capacità termica C = m·c riguarda un oggetto intero: una pesante pentola di ghisa, una volta calda, perde poca temperatura quando vi si aggiunge il cibo. Infine, con la temperatura i materiali si dilatano: la dilatazione termica è il principio dei termometri a liquido, e il motivo per cui un barattolo di vetro si apre meglio dopo aver scaldato il coperchio di metallo, che si dilata più del vetro.

Collegamento: sapere quanto calore serve non basta. In cucina conta anche il modo in cui il calore arriva al cibo.

Propagazione del calore e materiali per la cottura

Il calore si propaga in tre modi, e ogni tecnica di cottura li combina in proporzioni diverse:

• Conduzione: il calore passa per contatto, da molecola a molecola, senza trasporto di materia. È il modo in cui il fondo della padella scalda la bistecca e il calore avanza dalla superficie al cuore dell'alimento. È tanto più rapida quanto maggiori sono la conducibilità termica del materiale, la superficie e la differenza di temperatura, e quanto minore è lo spessore.
• Convezione: nei fluidi il calore è trasportato dal movimento del fluido stesso. L'acqua scaldata sul fondo della pentola diventa meno densa, sale ed è sostituita da acqua più fredda, formando correnti convettive (convezione naturale); nel forno ventilato è una ventola a muovere l'aria (convezione forzata).
• Irraggiamento: il calore è trasportato da onde elettromagnetiche, soprattutto infrarosse, e non richiede un mezzo: si propaga anche nel vuoto. È il modo in cui scaldano il grill, la brace e il Sole.

Tra i materiali utilizzati per la cottura la differenza la fanno conducibilità e capacità termica. Un buon conduttore distribuisce il calore in modo uniforme e risponde subito alle variazioni di fiamma; un materiale spesso e pesante accumula calore e lo rilascia lentamente.

Collegamento: quando il calore fornito non alza più la temperatura, sta succedendo qualcos'altro: la sostanza cambia stato.

Stati della materia e passaggi di stato

Gli stati della materia, che il programma introduce già nella seconda unità, dipendono dall'equilibrio tra agitazione termica e forze di attrazione tra le molecole. Un solido ha forma e volume propri, perché le particelle vibrano attorno a posizioni fisse; un liquido ha volume proprio ma prende la forma del recipiente; un gas non ha né forma né volume propri e occupa tutto lo spazio disponibile. Liquidi e gas, che possono scorrere, sono i fluidi dell'ultima unità.

I passaggi di stato sono sei: fusione e solidificazione (solido ↔ liquido), vaporizzazione e condensazione (liquido ↔ gas), sublimazione e brinamento (solido ↔ gas). Durante un passaggio di stato la temperatura resta costante finché tutta la sostanza non ha cambiato stato: il calore fornito serve a vincere le forze tra le molecole, non ad aumentarne l'agitazione. È il calore latente, Q = m·λ. Per l'acqua vale circa 334 kJ/kg per la fusione e circa 2.260 kJ/kg per la vaporizzazione: far evaporare 1 kg d'acqua richiede più di cinque volte l'energia necessaria a portarlo da 0 °C a 100 °C.

La vaporizzazione avviene in due modi. L'evaporazione interessa solo la superficie del liquido e avviene a qualsiasi temperatura; poiché a lasciare il liquido sono le molecole più veloci, quello che resta si raffredda: è il principio della sudorazione e del raffreddamento dei cibi lasciati scoperti. L'ebollizione coinvolge tutto il liquido e avviene quando la pressione del vapore uguaglia la pressione esterna: per l'acqua, 100 °C al livello del mare. La condensazione restituisce il calore latente: per questo il vapore a 100 °C scotta più dell'acqua alla stessa temperatura, e la cottura a vapore è così efficace. La sublimazione è sfruttata nella liofilizzazione, che essicca gli alimenti congelati sotto vuoto trasformando il ghiaccio direttamente in vapore.

Collegamento: l'ebollizione dipende dalla pressione. Il legame tra pressione, volume e temperatura di un gas è descritto dal modello dei gas perfetti.

Gas perfetti e termodinamica

Un gas perfetto è un modello in cui le molecole hanno volume trascurabile e interagiscono solo attraverso urti elastici; molti gas reali ci si avvicinano, a pressioni non troppo alte e temperature non troppo basse. Il suo stato è descritto da pressione p, volume V e temperatura T, legati dall'equazione di stato p·V = n·R·T, con n numero di moli e R ≈ 8,314 J/(mol·K). La temperatura va sempre espressa in kelvin.

Fissando una variabile si ottengono le leggi dei gas: a temperatura costante il prodotto p·V è costante (legge di Boyle); a pressione costante il volume è proporzionale alla temperatura assoluta, e a volume costante lo è la pressione (leggi di Gay-Lussac). Le conseguenze in campo agro-alimentare sono dirette: le bolle di gas in un impasto si espandono in forno e fanno crescere il pane; in un barattolo chiuso ermeticamente e scaldato da 20 °C a 100 °C la pressione dell'aria interna sale di circa il 27%, perché 373 K / 293 K ≈ 1,27.

La termodinamica studia gli scambi di energia sotto forma di calore e lavoro. Il principio zero fonda il concetto di temperatura: due corpi in equilibrio termico con un terzo sono in equilibrio anche tra loro. Il primo principio è la conservazione dell'energia: la variazione di energia interna di un sistema è uguale al calore assorbito meno il lavoro compiuto dal sistema, ΔU = Q − L. Il secondo principio fissa il verso dei processi: il calore passa spontaneamente solo dal corpo più caldo al più freddo (enunciato di Clausius), e nessuna macchina che lavori in modo ciclico può trasformare in lavoro tutto il calore che assorbe (enunciato di Kelvin). Il rendimento di una macchina termica, η = L / Q_assorbito, è quindi sempre minore di 1.

Collegamento: per il secondo principio il calore non passa da solo dal freddo al caldo. Il frigorifero ce lo fa passare, ma solo spendendo lavoro.

Frigorifero e abbattitore

Il frigorifero è una macchina termica che funziona al contrario: sottrae calore all'interno, più freddo, e lo cede all'ambiente, più caldo. Non potendo avvenire spontaneamente, il trasferimento richiede lavoro, fornito dal compressore. Il ciclo usa un fluido refrigerante che cambia stato:

1. nell'evaporatore, dentro la cella, il refrigerante a bassa pressione evapora e assorbe calore dagli alimenti;
2. il compressore aspira il vapore e ne aumenta pressione e temperatura;
3. nel condensatore, la serpentina all'esterno della cella, il vapore condensa e cede calore all'ambiente;
4. una valvola di laminazione (o un tubo capillare) abbassa la pressione del liquido, che si raffredda e ricomincia il ciclo.

Il calore ceduto alla cucina è la somma di quello tolto agli alimenti e del lavoro del compressore: per questo il condensatore è caldo, e un frigorifero lasciato aperto in una stanza chiusa la scalda invece di raffreddarla. L'efficienza si misura con il coefficiente di prestazione, il rapporto tra calore sottratto e lavoro speso, che può essere maggiore di 1.

L'abbattitore usa lo stesso ciclo, con una potenza frigorifera molto più alta e una ventilazione forzata che aumenta lo scambio per convezione. Serve a raffreddare o congelare rapidamente gli alimenti appena cotti, facendo attraversare in poco tempo le temperature intermedie in cui i microrganismi si moltiplicano più facilmente. Nel congelamento rapido, inoltre, si formano cristalli di ghiaccio più piccoli, che danneggiano meno la struttura dei tessuti dell'alimento.

Collegamento: il frigorifero sfrutta il legame tra pressione e passaggi di stato del refrigerante. La pentola a pressione usa lo stesso legame nel verso opposto: alza la pressione per alzare la temperatura di ebollizione dell'acqua.

La pentola a pressione

In una pentola aperta l'acqua non supera i 100 °C: il calore in più viene speso per trasformarla in vapore, che si disperde. La pentola a pressione è chiusa ermeticamente: il vapore resta dentro e la pressione cresce, finché una valvola la mantiene al valore di lavoro, fino a circa 1 bar sopra la pressione atmosferica. A quella pressione l'acqua bolle intorno a 120 °C, e poiché le trasformazioni che cuociono gli alimenti sono più rapide a temperatura più alta, i tempi di cottura si riducono sensibilmente.

Lo stesso meccanismo spiega il fenomeno opposto: in montagna la pressione atmosferica è più bassa e l'acqua bolle a temperatura inferiore. A circa 3.000 m di quota la pressione è circa il 70% di quella al livello del mare e l'acqua bolle intorno a 90 °C, e la pasta cuoce più lentamente. Anche le regole di sicurezza derivano dalla stessa fisica: finché dentro c'è sovrappressione, il coperchio è spinto verso l'esterno da una forza pari alla differenza di pressione per la sua superficie. Con 1 bar di sovrappressione e un coperchio di 22 cm di diametro sono circa 3.800 N, il peso di quasi 390 kg: per questo la pentola va aperta solo dopo aver scaricato il vapore.

Collegamento: con la pentola a pressione si chiude la termodinamica. La quarta unità introduce l'energia elettrica, partendo dalla sua origine: le cariche.

Cariche, legge di Coulomb e campo elettrico

La carica elettrica è una proprietà della materia che può essere positiva o negativa: cariche dello stesso segno si respingono, di segno opposto si attraggono. Negli atomi la carica positiva è nei protoni del nucleo, quella negativa negli elettroni. La carica si misura in coulomb (C), si conserva ed è quantizzata: ogni carica è un multiplo della carica elementare, e ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ C. Un corpo si elettrizza quando acquista o perde elettroni: per strofinio (un pettine di plastica strofinato che attira pezzetti di carta), per contatto con un corpo carico o per induzione, avvicinandolo a un corpo carico senza toccarlo.

Nei conduttori, come i metalli, alcune cariche sono libere di muoversi; conducono anche le soluzioni che contengono ioni, come l'acqua salata. Negli isolanti — plastica, vetro, ceramica, legno secco — le cariche restano ferme. Per questo i fili elettrici sono di rame rivestito di plastica.

La legge di Coulomb dà la forza tra due cariche puntiformi: F = k·q₁·q₂/r², con k ≈ 8,99 × 10⁹ N·m²/C². La forma è la stessa della gravitazione — proporzionale alle cariche, inversamente proporzionale al quadrato della distanza — ma la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva ed è enormemente più intensa. Per descrivere l'effetto di una carica sullo spazio circostante si usa il campo elettrico, la forza per unità di carica, E = F/q, misurata in N/C. È un vettore, rappresentato da linee di campo che partono dalle cariche positive e terminano su quelle negative.

Collegamento: spostare una carica in un campo elettrico richiede o libera energia, come sollevare o lasciar cadere un peso. Da qui nascono potenziale e corrente.

Differenza di potenziale, corrente e circuiti

Una carica in un campo elettrico possiede un'energia potenziale elettrica, come una massa sollevata possiede energia potenziale gravitazionale. L'energia per unità di carica è il potenziale elettrico, e nei circuiti conta la differenza di potenziale (ddp, o tensione) tra due punti, misurata in volt: 1 V = 1 J/C. L'analogia è quella di un dislivello: le cariche positive si muovono spontaneamente dal potenziale più alto al più basso, e il lavoro del campo su una carica q è L = q·ΔV.

Se tra due punti di un conduttore c'è una ddp, le cariche si muovono e nasce una corrente elettrica. La sua intensità è la carica che attraversa una sezione del conduttore nell'unità di tempo, I = Δq/Δt, in ampere (1 A = 1 C/s). Un circuito è un percorso chiuso formato da un generatore, che mantiene la ddp, da conduttori e da utilizzatori; se un interruttore apre il percorso, la corrente si ferma. La prima legge di Ohm lega le tre grandezze, ΔV = R·I, dove R è la resistenza in ohm (Ω). La seconda dice da cosa dipende: R = ρ·L/S, cresce con la lunghezza del filo, diminuisce con la sezione e dipende dal materiale attraverso la resistività ρ.

Più utilizzatori si possono collegare in serie, uno dopo l'altro e attraversati dalla stessa corrente (R_tot = R₁ + R₂), oppure in parallelo, tutti alla stessa ddp (1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂). Gli elettrodomestici di casa sono in parallelo: ognuno riceve la tensione di rete, 230 V in Italia, e si accende o si spegne indipendentemente dagli altri.

Collegamento: attraversando una resistenza, la corrente trasforma energia elettrica in calore. È il principio di buona parte della tecnologia elettrica in cucina.

La tecnologia elettrica in cucina

La potenza assorbita da un utilizzatore è P = ΔV·I; per una resistenza, usando la legge di Ohm, P = R·I² = ΔV²/R. Il passaggio della corrente in un conduttore ne aumenta l'agitazione termica: è l'effetto Joule, su cui si basano i riscaldatori elettrici — bollitori, piastre, resistenze del forno — e il grill, in cui una resistenza portata ad alta temperatura cede calore soprattutto per irraggiamento.

Non tutti gli apparecchi trasformano l'energia elettrica in calore. Nel frullatore la trasforma in energia meccanica un motore elettrico, che si studia nella prossima unità. La bilancia elettronica usa di norma una cella di carico: un elemento metallico che si deforma leggermente sotto il peso, su cui sono incollati degli estensimetri, resistori la cui resistenza cambia con la deformazione. Il circuito trasforma questa piccola variazione in un segnale proporzionale alla forza, e dopo la taratura lo mostra in grammi.

Quanta energia consuma un elettrodomestico? Bastano la potenza di targa e il tempo di utilizzo: E = P·t. Prova con tre apparecchi alimentati a 230 V:

Potenze di esempio: il valore reale è indicato sulla targhetta di ogni apparecchio.

Collegamento: il frullatore porta fuori dall'elettrostatica. Una corrente che fa girare un motore è un effetto magnetico, il tema della quinta unità.

Magneti, correnti e motore elettrico

Un magnete ha due poli, nord e sud: poli uguali si respingono, poli opposti si attraggono, e i due poli non si possono separare, perché spezzando una calamita si ottengono due calamite più piccole. Attorno al magnete c'è un campo magnetico B, misurato in tesla (T), con linee di campo che all'esterno del magnete vanno dal polo nord al polo sud. Solo alcuni materiali, i ferromagnetici come ferro, nichel e cobalto, sono attratti con forza dai magneti.

Magnetismo ed elettricità sono due aspetti dello stesso fenomeno. Una corrente genera un campo magnetico (esperienza di Oersted): attorno a un filo rettilineo le linee di campo sono circonferenze, e un filo avvolto a spirale, il solenoide, si comporta come una calamita che si accende e si spegne con la corrente, l'elettromagnete. Viceversa, un campo magnetico esercita una forza su una corrente: su un filo lungo L, percorso dalla corrente I e perpendicolare al campo, F = I·L·B. Su una singola carica in moto agisce la forza di Lorentz, F = q·v·B, perpendicolare sia alla velocità sia al campo.

Il motore elettrico nasce da qui: una spira percorsa da corrente e immersa in un campo magnetico subisce sui lati due forze opposte, che la fanno ruotare. Nei motori a corrente continua un commutatore inverte il verso della corrente a ogni mezzo giro, così la rotazione prosegue sempre nello stesso senso. Il motore trasforma energia elettrica in energia meccanica: è il cuore di frullatori, planetarie, ventole del forno e compressori dei frigoriferi.

Collegamento: se una corrente produce un campo magnetico, viene da chiedersi se un campo magnetico possa produrre una corrente. Sì, ma solo se varia.

Campi indotti e piano a induzione

L'induzione elettromagnetica, scoperta da Faraday, è la comparsa di una corrente in un circuito quando varia il flusso del campo magnetico che lo attraversa: muovendo una calamita vicino a una bobina, o variando la corrente in una bobina vicina. La forza elettromotrice indotta è tanto maggiore quanto più rapida è la variazione, ε = −ΔΦ/Δt, e il segno meno esprime la legge di Lenz: la corrente indotta si oppone alla variazione che l'ha generata. Un campo costante non induce nulla. Sull'induzione si basano l'alternatore, che è in sostanza un motore elettrico usato al contrario, e il trasformatore.

In cucina l'applicazione più diretta è il piano a induzione. Sotto la superficie di vetroceramica c'è una bobina percorsa da corrente alternata ad alta frequenza, che produce un campo magnetico rapidamente variabile. Il campo induce nel fondo della pentola correnti circolari, le correnti parassite (o di Foucault), che la scaldano per effetto Joule. Il calore nasce quindi direttamente nella pentola, non nel piano, che si scalda solo per contatto con il fondo caldo. Servono pentole con il fondo in materiale ferromagnetico (ghisa, acciaio ferritico o un fondo con piastra adatta): con vetro, alluminio o rame il riscaldamento non avviene o è troppo debole.

Collegamento: un campo magnetico variabile genera un campo elettrico, e un campo elettrico variabile genera un campo magnetico. I due si sostengono a vicenda e si propagano nello spazio come un'onda.

Le onde e lo spettro elettromagnetico

Un'onda è una perturbazione che si propaga trasportando energia, ma non materia. Le onde meccaniche, come il suono o le onde sull'acqua, hanno bisogno di un mezzo; le onde elettromagnetiche si propagano anche nel vuoto. Nelle onde trasversali l'oscillazione è perpendicolare alla direzione di propagazione (le onde elettromagnetiche), in quelle longitudinali è parallela (il suono).

I parametri principali sono l'ampiezza, legata all'energia trasportata, la lunghezza d'onda λ (la distanza tra due creste), il periodo T e la frequenza f = 1/T, in hertz, legati alla velocità di propagazione da v = λ·f. Nel comportamento delle onde ricorrono quattro fenomeni: la riflessione su un ostacolo; la rifrazione, il cambio di direzione nel passaggio a un mezzo in cui la velocità è diversa (per cui un cucchiaino nel bicchiere d'acqua sembra spezzato); la diffrazione, con cui l'onda aggira gli ostacoli; l'interferenza tra onde sovrapposte, costruttiva o distruttiva.

Il campo elettromagnetico si propaga nel vuoto alla velocità della luce, c ≈ 3 × 10⁸ m/s. Luce, microonde e raggi X sono tutte onde elettromagnetiche, che differiscono solo per frequenza e lunghezza d'onda: il loro insieme ordinato è lo spettro elettromagnetico. Più alta è la frequenza, maggiore è l'energia trasportata da ogni fotone, E = h·f, con h costante di Planck.

Collegamento: tutte queste onde trasportano energia. Cosa accade quando incontrano un alimento, un recipiente o la pelle dipende dall'interazione tra radiazione e materia.

Interazioni radiazione-materia

Quando un'onda elettromagnetica incontra un materiale può essere riflessa, trasmessa (lo attraversa) o assorbita, e in questo caso cede la sua energia al materiale. Quale effetto prevalga dipende sia dalla frequenza sia dal materiale: il vetro trasmette la luce visibile, un metallo la riflette e riflette anche le microonde. Lungo lo spettro, gli effetti dell'assorbimento cambiano:

• Microonde: le molecole d'acqua, che sono dipoli elettrici, tendono a orientarsi con il campo, che oscilla miliardi di volte al secondo, e questa agitazione diventa calore. Le microonde penetrano nell'alimento per una profondità limitata, dell'ordine del centimetro, e scaldano direttamente gli strati che raggiungono; l'interno si scalda poi per conduzione. Vetro, ceramica e molte plastiche le lasciano passare e si scaldano solo per contatto con il cibo; i metalli le riflettono e, sui bordi appuntiti, possono produrre scintille.
• Infrarosso: è assorbito soprattutto in superficie, che può raggiungere temperature ben superiori a 100 °C. Per questo grill e brace dorano e formano la crosta.
• Visibile: il colore di un alimento dipende dalle lunghezze d'onda che assorbe e da quelle che riflette. La clorofilla assorbe il rosso e il blu e riflette il verde.
• Ultravioletto: ha energia sufficiente a danneggiare il DNA dei microrganismi, e per questo gli UV-C si usano per sanificare. La luce, e soprattutto l'ultravioletto, degrada anche alcune vitamine e favorisce l'ossidazione dei grassi: è il motivo per cui latte e oli si conservano in contenitori che la schermano.
• Raggi X e gamma: sono radiazioni ionizzanti, capaci di strappare elettroni agli atomi. Si usano per ispezione e sterilizzazione, in condizioni controllate.

Misurare quanta radiazione di ogni lunghezza d'onda un campione assorbe è anche il principio della spettrofotometria, una delle tecniche dell'analisi degli alimenti.

Collegamento: effetto Joule, irraggiamento infrarosso e assorbimento delle microonde bastano per leggere le due applicazioni con cui il programma chiude l'unità: lampadine e forni.

Lampadine e forni

Le tipologie di lampadine differiscono per il modo in cui producono la luce, e quindi per quanta energia elettrica disperdono in calore:

• A incandescenza: un filamento di tungsteno portato a temperature di migliaia di gradi per effetto Joule emette radiazione, in gran parte nell'infrarosso. Solo una piccola frazione dell'energia diventa luce visibile, il resto è calore; proprio per questo le lampade a infrarossi si usano per tenere in caldo i piatti.
• Alogene: sono lampade a incandescenza con un gas alogeno nel bulbo, che consente al filamento di lavorare a temperatura più alta. Un po' più efficienti, restano soprattutto sorgenti di calore.
• Fluorescenti: una scarica elettrica in un gas con vapori di mercurio produce radiazione ultravioletta, che un rivestimento di fosfori sulla parete del tubo converte in luce visibile.
• LED: un diodo a semiconduttore emette luce direttamente quando è attraversato dalla corrente (elettroluminescenza), con poca radiazione infrarossa. A parità di luce emessa, un LED da circa 8-9 W sostituisce una lampadina a incandescenza da 60 W.

Anche le tipologie di forni si distinguono per il modo in cui l'energia arriva al cibo, e il confronto riprende tre argomenti del corso: propagazione del calore, passaggi di stato e interazione tra microonde e acqua. Scegli una dimensione:

Collegamento: le onde chiudono la quinta unità. L'ultima riprende pressione, forze ed energia e le applica ai fluidi, a partire da quelli in quiete.

Pressione: Stevino, Pascal, atmosfera

Un fluido, liquido o gas, non ha forma propria e scorre. Lo descrivono due grandezze: la densità ρ = m/V, in kg/m³ (circa 1.000 kg/m³ per l'acqua, cioè 1 g/cm³), e la pressione p = F/S, la forza per unità di superficie, in pascal. In un fluido in quiete la pressione agisce in tutte le direzioni ed è sempre perpendicolare alle superfici.

La legge di Stevino, oggetto di un'esercitazione, dice come cresce la pressione con la profondità: p = p₀ + ρ·g·h. Scendendo di 10 m in acqua la pressione aumenta di circa 98.000 Pa, quasi un'atmosfera. La pressione dipende solo dalla profondità, non dalla forma del recipiente: per questo nei vasi comunicanti un liquido raggiunge lo stesso livello in tutti i rami. La legge di Pascal afferma che una pressione applicata in un punto di un fluido chiuso si trasmette invariata a tutti i punti del fluido. È il principio del torchio idraulico: con due pistoni di superficie S₁ e S₂, F₂ = F₁·S₂/S₁, e una piccola forza sul pistone piccolo diventa una grande forza su quello grande. Le presse idrauliche si usano, ad esempio, per estrarre olio e succhi.

La pressione atmosferica è il peso della colonna d'aria sopra di noi. Torricelli la misurò con una colonna di mercurio, alta 760 mm al livello del mare: 1 atm = 101.325 Pa, circa 1 bar. Diminuisce con la quota, con le conseguenze sull'ebollizione viste per la pentola a pressione. È la pressione atmosferica a schiacciare le buste del sottovuoto, dove all'interno la pressione è molto più bassa che all'esterno, e a tenere attaccate le ventose.

Collegamento: la pressione che cresce con la profondità ha una conseguenza diretta: un corpo immerso è spinto più dal basso che dall'alto. È la spinta di Archimede.

Il principio di Archimede

Il principio di Archimede afferma che un corpo immerso in un fluido riceve una spinta verso l'alto pari al peso del fluido spostato: S = ρ_fluido·V_immerso·g. Il confronto con il peso decide cosa succede: se la densità del corpo è maggiore di quella del fluido il corpo affonda, se è minore galleggia, e in quel caso la frazione immersa è uguale al rapporto tra le due densità.

Un'applicazione nota in cucina è la prova di freschezza delle uova: con il tempo l'uovo perde acqua attraverso il guscio e la camera d'aria interna si allarga, quindi la sua densità media diminuisce. Un uovo fresco va a fondo e resta coricato, uno meno fresco si solleva su un'estremità, e uno vecchio può arrivare a galleggiare. Prova il calcolo con un cubetto di ghiaccio, densità circa 917 kg/m³, in tre liquidi diversi:

Densità indicative dei liquidi a circa 20 °C.

Collegamento: Stevino, Pascal e Archimede riguardano fluidi fermi. Le lezioni sulla dinamica dei fluidi aggiungono il movimento.

Nelle videolezioni: la dinamica dei fluidi

Il programma parla genericamente di fluidi e leggi principali, ma tra le lezioni c'è Dinamica dei fluidi: conviene verificarne i contenuti in piattaforma. I concetti di base partono dal modello del fluido ideale, incomprimibile e senza attriti interni. La portata è il volume di fluido che attraversa una sezione nell'unità di tempo, Q = S·v, in m³/s (da non confondere con la portata di uno strumento). Per un fluido incomprimibile la portata è la stessa in ogni sezione del condotto, S₁·v₁ = S₂·v₂ (equazione di continuità): dove il tubo si restringe il fluido accelera, come quando si stringe con il dito l'estremità di una canna per annaffiare.

L'equazione di Bernoulli applica la conservazione dell'energia a un fluido ideale in moto: lungo il flusso la somma p + ½·ρ·v² + ρ·g·h resta costante. A parità di quota, dove la velocità aumenta la pressione diminuisce: è il principio dei nebulizzatori e dei tubi di Venturi. Nei fluidi reali c'è anche la viscosità, l'attrito interno che si oppone allo scorrimento tra strati di fluido: il miele è molto più viscoso dell'acqua e, come la maggior parte dei liquidi, diventa più fluido quando lo si scalda.

Collegamento: un fluido non trasmette solo pressioni statiche. In un gas o in un liquido può propagarsi anche un'onda di pressione: il suono.

Il suono e le onde acustiche

Il suono è un'onda meccanica longitudinale, una successione di compressioni e rarefazioni del mezzo, che può essere aria, acqua o un solido; nel vuoto non si propaga. La velocità dipende dal mezzo: circa 343 m/s nell'aria a 20 °C, circa 1.480 m/s nell'acqua, di più nei solidi. L'orecchio umano percepisce frequenze da circa 20 Hz a circa 20.000 Hz; sotto ci sono gli infrasuoni, sopra gli ultrasuoni.

Un suono ha tre caratteristiche. L'altezza dipende dalla frequenza: un suono acuto ha frequenza alta, uno grave bassa. L'intensità dipende dall'ampiezza ed è l'energia che attraversa l'unità di superficie nell'unità di tempo (W/m²); il livello di intensità sonora si misura in decibel, su una scala logaritmica in cui +10 dB corrispondono a un'intensità dieci volte maggiore. Il timbro dipende dalla forma dell'onda e distingue due suoni con la stessa altezza e la stessa intensità. Come ogni onda, il suono si riflette (l'eco), si rifrange, si diffrange e viene assorbito dai materiali fonoassorbenti. Nel settore alimentare gli ultrasuoni si usano, ad esempio, per pulire le attrezzature e per favorire la formazione di emulsioni; e il suono entra anche nella valutazione sensoriale, perché la croccantezza di un alimento si percepisce in parte attraverso il rumore che produce quando lo si morde.

Collegamento: l'ultima parte dell'unità si sposta al confine tra un fluido e ciò che lo circonda: la superficie.

Fenomeni di superficie

All'interno di un liquido ogni molecola è attratta in modo uguale in tutte le direzioni dalle molecole vicine (coesione). In superficie no: le molecole sono attratte solo verso l'interno, e la superficie si comporta come una membrana tesa. È la tensione superficiale, l'energia necessaria per aumentare di un'unità l'area della superficie. Spiega perché le gocce tendono alla forma sferica, quella con la superficie minima a parità di volume, e perché alcuni insetti camminano sull'acqua. L'acqua ha una tensione superficiale elevata, che le sostanze tensioattive — detergenti, ma anche emulsionanti alimentari — riducono.

Tra un liquido e un solido conta il confronto tra coesione e adesione, l'attrazione tra le molecole del liquido e quelle della parete. Se prevale l'adesione il liquido bagna la superficie e forma un menisco concavo, come l'acqua nel vetro; se prevale la coesione non la bagna e forma gocce, come l'acqua su una padella antiaderente. In un tubo sottile, se il liquido bagna le pareti, risale sopra il livello esterno: è la capillarità, tanto più marcata quanto più il tubo è stretto. Per capillarità il latte risale nei pori di un biscotto inzuppato e il caffè in una zolletta di zucchero.

Collegamento: le molecole tensioattive si dispongono proprio sulle superfici di separazione tra due fasi, ed è così che stabilizzano i sistemi dispersi della gastronomia: i colloidi.

Colloidi: schiume, gel ed emulsioni

Un colloide è un sistema in cui una fase dispersa è distribuita, in particelle o goccioline molto piccole, in una fase disperdente continua. Per dimensione delle particelle, indicativamente tra un nanometro e un micrometro, i colloidi stanno tra le soluzioni, in cui il soluto è disperso a livello molecolare, e le sospensioni, in cui le particelle sono abbastanza grandi da depositarsi. Un segno tipico è l'effetto Tyndall: un fascio di luce che attraversa un colloide diventa visibile, perché le particelle la diffondono. Molti alimenti sono sistemi colloidali, e il programma ne indica tre applicazioni.

Schiume ed emulsioni sono sistemi instabili: le bolle si fondono, le goccioline si riuniscono e le fasi tendono a separarsi, riducendo l'area delle superfici di separazione. Per stabilizzarli servono emulsionanti e tensioattivi, molecole con una parte idrofila e una lipofila che si dispongono all'interfaccia. Nella maionese è la lecitina del tuorlo; nell'albume montato sono le proteine a formare una pellicola attorno alle bolle d'aria. Un'emulsione si classifica in base al liquido che forma la fase continua: olio in acqua (O/A), con goccioline di grasso disperse in una fase acquosa, oppure acqua in olio (A/O), con goccioline d'acqua disperse nel grasso. Prova a classificare sei alimenti:

Collegamento: con i colloidi si chiude il programma. Prima del metodo di studio conviene rimettere in fila le leggi incontrate e le applicazioni che il corso associa a ciascuna.

Sintesi: dalle leggi alle applicazioni

Il filo conduttore del corso è il legame tra una legge fisica e una tecnologia della cucina o del settore agro-alimentare. La tabella ripercorre le sei unità mettendo accanto a ogni legge la formula e l'applicazione in cui la ritrovi: è anche una traccia per il formulario personale.

Collegamento: con la sintesi si chiude il percorso. Le sezioni che seguono riguardano come organizzare lo studio.

Metodo di studio consigliato

Alcuni criteri utili per organizzare lo studio, in base alla struttura del programma:

• Segui l'ordine dei moduli. La scheda ufficiale indica che ogni modulo è propedeutico al successivo e consiglia di affrontarli uno alla volta: l'energia della terza unità usa le forze della seconda, e l'elettricità usa di nuovo lavoro ed energia.
• Ripassa la matematica prima di iniziare. Proporzioni, potenze di 10, equazioni di primo grado e formule inverse, grafici e teorema di Pitagora ricorrono in ogni unità. La scheda consiglia di aver già seguito Fondamenti di matematica e statistica.
• Per ogni formula, impara il significato di ogni simbolo e la sua unità di misura. Controllare che le unità siano coerenti a fine calcolo, ad esempio che un'energia risulti in joule, è il modo più rapido per scoprire un errore.
• Rifai le esercitazioni con carta e penna. Sette lezioni sono esercitazioni svolte: prova a risolvere i problemi da solo prima di guardare lo svolgimento, e cambia i dati per verificare di aver capito il procedimento.
• Collega ogni legge alla sua applicazione. Il programma è costruito così: prova a spiegare con parole tue perché il retro del frigorifero è caldo o perché la pentola a pressione accorcia i tempi. Se sai raccontare il meccanismo, la formula diventa facile da ricordare.
• Stima sempre l'ordine di grandezza. Un uovo di 5 kg o una pentola a 1.200 °C indicano un errore di calcolo o di unità, prima ancora di rifare i conti.
• Usa gli strumenti di supporto previsti. La scheda ufficiale prevede attività di didattica interattiva in aula virtuale, prima delle sessioni o su richiesta degli studenti: sono il momento giusto per portare i dubbi sugli esercizi. Se parti da zero, affianca alle videolezioni uno dei testi consigliati, che la scheda indica come utile soprattutto a chi ha poca familiarità con la fisica.

Come funziona l'esame

Il formato degli esami San Raffaele è spiegato nella guida dedicata, aggiornata quando le modalità cambiano. Prima di ogni appello controlla anche il programma ufficiale dell'insegnamento.

Quanto tempo serve

Con 6 CFU e 39 videolezioni, conviene mettere in conto 5-6 settimane: circa due per misure, meccanica ed energia, le unità con più lezioni ed esercitazioni; una e mezza per calore e termodinamica; una e mezza per elettricità, elettromagnetismo e onde; il resto per i fluidi e per qualche giorno di esercizi misti su tutto il programma.

Il tempo dipende soprattutto dal punto di partenza. Chi ha studiato fisica alle superiori ritrova buona parte delle prime tre unità e può accorciare i tempi; chi non la tocca da anni farà bene a dedicare qualche giorno in più, all'inizio, alla matematica di base.

Questa materia ti prepara a…

Il programma presenta la fisica come la base per capire le tecnologie della cucina e del settore agro-alimentare. Nel piano di studi L26 i suoi concetti ricorrono soprattutto nei corsi sui processi e sulle analisi degli alimenti, e in Ingegneria agraria, dedicata alle macchine agricole. Su questa guida trovi:

• Fondamenti di matematica e statistica L26 San Raffaele — la base che la scheda ufficiale consiglia di avere prima di Fisica: notazione scientifica, proporzionalità, vettori, funzioni e teoria della misura
• Chimica inorganica e organica L26 San Raffaele — nello stesso primo anno riprende stati della materia, gas perfetti, viscosità e tensione superficiale, radiazione elettromagnetica e termodinamica
• Scienze e tecnologie degli alimenti L26 San Raffaele — al secondo anno, i processi con applicazione e rimozione di calore, i sistemi di cottura e di congelamento e i bilanci di energia applicano calorimetria e termodinamica
• Principi di analisi degli alimenti L26 San Raffaele — al terzo anno, la spettrofotometria si basa sull'interazione tra radiazione e materia
• Gruppi studio L26 Scienze dell'Alimentazione e Gastronomia San Raffaele — la pagina di riferimento del corso, con il gruppo WhatsApp e una panoramica del piano di studi

Domande frequenti

Quanti CFU vale Fisica L26 San Raffaele?

6 CFU (cod. 0262206FIS07, SSD FIS/07). È una materia del 1° anno, e lo stesso codice compare sia nel piano di studi dell'A.A. 2026/2027 sia nel piano dell'A.A. 2024/2025.

Cosa si studia in Fisica L26 San Raffaele?

Il programma ufficiale ha sei unità didattiche: metodo scientifico, misure e strumenti; corpi, moti e forze; energia e calore; cariche e campi elettrici; elettromagnetismo e onde; fluidi. Ogni unità abbina le leggi fisiche ad applicazioni in cucina e nel settore agro-alimentare, come bilancia, centrifuga, frigorifero, pentola a pressione, forni, schiume, gel ed emulsioni.

Serve la matematica per l'esame di Fisica?

Non ci sono propedeuticità specifiche, ma la scheda ufficiale consiglia vivamente di aver già seguito Fondamenti di matematica e statistica. Nella pratica servono proporzioni, potenze di 10 e notazione scientifica, equazioni di primo grado e formule inverse, grafici e vettori: strumenti di base, più che analisi matematica.

È lo stesso esame di Fisica degli altri corsi San Raffaele?

No, i codici sono diversi. In L13 Scienze Biologiche c'è Fisica (6 CFU, cod. 0132406FIS07), con un'impostazione di base simile ma senza gran parte delle applicazioni gastronomiche; in L8 Ingegneria Informatica e Intelligenza Artificiale Fisica vale 9 CFU (SSD FIS/01); in L22 Scienze Motorie c'è Fisica applicata alle scienze motorie e in L9 Ingegneria Biomedica Fisica sperimentale e fisica matematica. Un esame di Fisica sanitaria non compare nei piani dei corsi San Raffaele Roma pubblicati per l'A.A. 2026/2027. Fisica di L26 ha il codice 0262206FIS07.

Come funziona l'esame di Fisica L26?

Il formato degli esami San Raffaele è spiegato nella guida dedicata agli esami Pegaso, Mercatorum e San Raffaele, che viene aggiornata quando le modalità cambiano. Controlla sempre anche il programma ufficiale dell'insegnamento prima dell'appello.

Quali libri sono consigliati per Fisica L26 San Raffaele?

La base sono le videolezioni. Per integrarle la scheda ufficiale indica La Fisica in Cucina di Amaldi e Bonzagni (Zanichelli), Elementi di fisica biomedica di Scannicchio e Giroletti (Edises) e Fondamenti di fisica di Halliday, Resnick e Walker, volume unico (Casa Editrice Ambrosiana / Zanichelli), utili soprattutto a chi ha poca familiarità con la fisica.

Perché nella pentola a pressione i cibi cuociono più in fretta?

Perché la temperatura di ebollizione dell'acqua cresce con la pressione. In una pentola normale, al livello del mare, l'acqua non supera circa 100 °C; nella pentola a pressione il vapore resta chiuso dentro e la pressione sale fino a circa 1 bar sopra quella atmosferica, dove l'acqua bolle intorno a 120 °C. A temperatura più alta le trasformazioni che cuociono gli alimenti sono più rapide. In montagna succede il contrario: la pressione è più bassa e l'acqua bolle sotto i 100 °C.