Master Ceffo

Ci sono tre tipi di giocatori di baseball. Quelli che fanno quel che succede, quelli che guardano quel che succede e quelli che si chiedono che cosa succede. (Tommy LaSorda (1927–), ex-giocatore di baseball.)

Ci avete mai pensato? Noi viviamo senza comprendere quasi del tutto come funzionano le cose. Tranne che uno non sia specialista nel settore, nessuno di noi si preoccupa di come funziona un motore elettrico o una dinamo (non parlo dei principi generali di funzionamento, ovviamente). E ancor meno del perché la luce del Sole sia gialla o perché il cielo sia blu. Per non parlare dei fenomeni ancora più complessi, come la gravità o la composizione degli atomi.

Il motivo principale per cui scrivo su questo blog è, oltre un pizzico di narcisismo, per imparare cose che non conoscevo. Ad esempio, per scrivere del sistema solare, sono stato costretto a documentarmi e anche quando ho “citato” altri autori, ho dovuto comunque rileggere tutto il brano citato per saggiarne la rispondenza con il pezzo che stavo scrivendo. Un altro motivo per cui scrivo è per cercare di diffondere il più possibile la scienza, materia tra le più complete ed importanti (opinione personale, naturalmente) e soprattutto la fisica e la chimica, che a me piacciono molto.

Avrei voglia, con l’aiuto dei miei lettori, di iniziare una serie di articoli dedicati al “come funziona quello che ci circonda” e giacché la materia più trattata in questo blog è appunto la fisica, partiremo proprio da alcuni fenomeni fisici che conosciamo benissimo, ma di cui ignoriamo i meccanismi. Stavolta però parto dalle definizioni. Intanto, cos’è la fisica?

La fisica è la scienza della natura nel senso più ampio. Il termine “fisica” deriva dal neutro plurale latino physica, a sua volta derivante dal greco τὰ φυσικά [tà physiká], cioè “le cose naturali” e da φύσις [physis], “natura”. La fisica classica studia tutti i fenomeni che possono essere spiegati senza ricorrere alla relatività generale e alla meccanica quantistica. Le teorie principali che la compongono sono la meccanica classica (in cui si ricomprende l’acustica), la termodinamica, l’elettromagnetismo (in cui si ricomprende l’ottica) e la teoria newtoniana della gravità. Sostanzialmente tutte le teorie che sono state prodotte prima dell’inizio del XX secolo fanno parte della fisica classica. Le leggi della fisica classica, nonostante non siano in grado di spiegare alcuni fenomeni, come la precessione del perielio di Mercurio, o l’effetto fotoelettrico, sono in grado di spiegare gran parte dei fenomeni che si possono osservare sulla Terra. Le teorie, invece, falliscono quando è necessario spingersi oltre i limiti di validità delle stesse, cioè nelle scale atomiche e subatomiche, o in quello dei corpi molto veloci, per cui è necessario fare ricorso alle leggi della fisica moderna. Con la fisica moderna, lo studio fisico s’incentra su tutti quei fenomeni che avvengono a scala atomica e subatomica o con velocità prossime a quelle della luce; le teorie principali che costituiscono questa nuova fisica sono la meccanica quantistica e la relatività generale. Più precisamente fanno parte di questa categoria tutte le teorie che sono state prodotte a partire dal XX secolo per cercare di spiegare alcuni fenomeni che le teorie classiche non riuscivano a dimostrare.

Ora che abbiamo capito cos’è la fisica, iniziamo a farci un po’ di domande sul funzionamento di alcuni fenomeni. Questa volta tratterò le cosiddette “storie di tutti i giorni”.

A prescindere dai gusti personali pochi possono obiettare sul fatto che il caffè preso al bar sia più buono e più forte che quello fatto con la Moka. La moka è una caffettiera (o macchina per il caffè) ideata da Luigi De Ponti e Alfonso Bialetti nel 1933 e prodotta in più di 105 milioni di esemplari, ed è caratterizzata da una forma ottagonale per aumentare la presa in caso di superficie bagnata; in commercio esistono delle imitazioni, sempre con pianta a forma di poligono regolare, ma con un diverso numero di lati, o a forma cilindrica. Prendo come esempio la Moka (la cui origine del nome dell’apparecchio risiede nel nome della città di Mokha in Yemen, una delle prime e più rinomate zone di produzione di caffè, in particolare della pregiata qualità arabica) perché è il modello di caffettiera più diffuso in Italia (tranne ovviamente a Napoli, dove il modello più diffuso è la cuccumella; il termine cuccumella è un diminutivo di cuccuma, “vaso di rame o terracotta” e deriva dal latino tardo cucuma, “paiolo”, e il principio di funzionamento è lo stesso della Moka).

Per fare il caffè con la moka si riempie innanzitutto d’acqua il bollitore o caldaia (la parte inferiore della caffettiera) fino a sfiorare il livello della valvola di sicurezza, e vi s’inserisce il filtro dosatore, metallico e a forma d’imbuto. In quest’ultimo s’introduce il caffè, che non deve essere pressato eccessivamente; quindi viene avvitata la parte superiore. Mettendo la moka sul fuoco (non troppo alto) l’acqua si riscalda fino a raggiungere una temperatura inferiore a quella di ebollizione (intorno ai 90°C, secondo esperimenti condotti nel 2008 dai soliti scienziati impiccioni), tuttavia sufficiente a provocare un idoneo aumento della pressione. La pressione del vapore saturo soprastante aumenta, provocandone l’espansione. Espandendosi, il vapore saturo comprime e costringe l’acqua a salire e passare per l’unica via d’uscita, cioè dall’imbuto che conduce al filtro. Giunta a metà strada, l’acqua calda passa attraverso la massa di caffè producendo la bevanda per percolazione. Infine, il caffè sale e va a depositarsi nel bricco passando attraverso una cannula detta “camino”. La pressione raggiunta con questo metodo è leggermente superiore a quella atmosferica, ed è possibile raggiungere temperature più alte che con altre caffettiere, tipo la napoletana. L’acqua nel bollitore comincia a bollire solo alla fine della preparazione, quando buona parte di essa è già risalita nel raccoglitore.

Nella macchina per caffè del bar, invece, le pressioni che si raggiungono sono molto più elevate (le Moka sono in alluminio, in genere) e a pressioni più alte corrispondono temperature di ebollizione più alte, cosicché, quando l’acqua filtra attraverso la polvere di caffè, ha una temperatura di una ventina di gradi superiore ai 100°C. In queste condizioni, il potere di estrarre dal caffè sapore e aroma è accresciuto.

I primi a capire questo rapporto tra temperature e pressioni furono il fisico e matematico tedesco Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) e l’ingegnere e fisico francese Benoît Paul Émile Clapeyron (1799-1864), e proprio quest’ultimo sviluppò un’equazione (tranquilli, non la scrivo) per descrivere il fenomeno di cui parlavamo, equazione a oggi nota come equazione di Clapeyron (o di Clausius-Clapeyron – 1834). L’equazione afferma che all’aumentare della temperatura (in questo caso non hanno importanza le scale di temperatura né di pressione) la pressione aumenta (e questo è intuitivo) ma aumenta secondo una legge che tiene conto del rapporto tra calore latente di evaporazione (calore necessario per fare evaporare una mole di sostanza) e il prodotto della temperatura per la differenza dei volumi molari della fase vapore e quella liquida (fidatevi, a capirla ci ho messo un po’ anche io). Questa equazione fu molto utile nei primi tempi dell’industrializzazione per la progettazione e la messa in opera dei motori, sia a vapore sia a scoppio; non solo, è utilizzabile, cosa che ritengo sicuramente molto più nobile, nella distillazione dell’alcool e nella cottura dei cibi. Come? Ma con la pentola a pressione!

La pentola a pressione permette una cottura accelerata grazie alle alte temperature che possono generarsi al suo interno. In qualsiasi pentola tradizionale, l’ebollizione dell’acqua avviene comunque a una temperatura intorno ai 100 °C, indipendentemente dall’intensità del calore sviluppato dai fornelli. Infatti, al momento di bollire, l’acqua evapora e sottrae calore al liquido e alla pentola. Fin tanto che ci sarà liquido in grado di evaporare e fuoriuscire, nessuna fonte di calore potrà innalzare la temperatura al di sopra dei cento gradi in condizioni di pressione atmosferica normale. È vero che chiudendo la pentola con un coperchio tradizionale si potranno ridurre le perdite di calore, ma ciò non porterà mai a un apprezzabile innalzamento della temperatura. Con la pentola a pressione è invece possibile bloccare quasi completamente la fuoriuscita di aria e vapore, sicché vi sarà al suo interno un notevole aumento della pressione, anche a due bar (sarà dunque doppia rispetto a quella riscontrabile nell’atmosfera). Il punto di ebollizione dell’acqua, a livelli di pressione talmente alti, sarà innalzato a valori di 120 °C o superiori: raggiungendo tali temperature, le pietanze potranno cuocersi in tempi considerevolmente ridotti. Per evitare pressioni e temperature troppo alte, la cottura è regolata da due valvole, una di controllo e ancora una vera e propria valvola di sicurezza. È questa la principale innovazione tecnica sulla quale si basa la cottura a pressione. In caso di pressione eccessiva, la valvola di cottura si alzerà e permetterà la fuoriuscita di vapore acqueo, provocando così un’immediata diminuzione della pressione interna.

TemperPressione

(Di Peter Forster – Opera propria, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6246674)

 

Per il motivo opposto, e alcuni di voi lo avranno provato di persona, dove la pressione atmosferica è più bassa, tipo in alta montagna, la pasta cotta in maniera tradizionale è sempre scotta. A tremila metri d’altitudine, infatti, la pressione dell’aria è ridotta di un 30% circa rispetto a quella al livello del mare, con la conseguenza che l’acqua bolle a 90°C. Accorgimento usato in Nord Europa, gettare la pasta nell’acqua ancora fredda.

Il vantaggio principale della cottura con la pentola a pressione è senza dubbio il risparmio di tempo. Il consumo di energia è ridotto in misura drastica (anche perché le perdite di calore sono minime e la cottura procede dunque a fuoco basso). Inoltre, la pentola a pressione aiuta in genere a risparmiare diversi tipi di sostanze nutritive. L’uso della pentola a pressione permette anche una maggiore efficienza nei luoghi di alta montagna, dove abbiamo visto che la pressione è minore e in condizioni normali l’acqua bolle a meno di cento gradi. Uno svantaggio del sistema di cottura a pressione sta indubbiamente nel ristretto ambito di uso, poiché non tutti i cibi possono esser preparati con questo metodo. Tra i cibi più adatti, vi sono senza dubbio i cereali e le patate. Lo stesso discorso vale per i legumi, poiché le alte temperature possono distruggere in maniera ottimale le sostanze nocive che si ritrovano nel seme crudo. Per quanto riguarda la perdita di vitamine durante la cottura, il discorso va differenziato a seconda del caso. Se da un lato le temperature più alte ne favoriscono la distruzione, va detto che grazie all’accelerazione dei tempi di cottura, la cottura a pressione può benissimo risultare più indicata per preservare questi preziosi elementi nutritivi: infatti la temperatura viene maggiorata di poche decine di gradi, mentre i tempi di cottura possono essere ridotti, per esempio, ad un terzo di quelli necessari per la cottura tradizionale. In più, la pentola a pressione consente la cottura a vapore, senza che il cibo immerso in acqua sia soggetto alla dispersione di vitamine idrosolubili.

Altro quesito interessante riguarda la cottura con il forno a microonde. Il forno a microonde è un elettrodomestico da cucina in cui la cottura del cibo è dovuta soprattutto all’effetto riscaldante ottenuto dall’interazione con la materia di campi elettromagnetici emessi nello spettro delle microonde. In fisica le microonde sono radiazioni elettromagnetiche nella banda dello spettro elettromagnetico con lunghezza d’onda compresa tra le gamme superiori delle onde radio e la radiazione infrarossa. Sebbene si tenda a considerarle separate dalle radioonde, le microonde sono comprese nelle parti UHF ed EHF dello spettro radio, presentando comunque delle caratteristiche specifiche dovute alla loro alta frequenza.

In pratica, le radiazioni a microonde pongono le molecole d’acqua contenute nei cibi in oscillazione o in rotazione: ciò comporta un assorbimento di energia che si trasforma in calore a causa degli attriti interni tra le molecole. Nonostante l’analogia suggerita dal nome, questo metodo di riscaldamento e cottura dei cibi è quindi del tutto diverso rispetto a quello di un forno convenzionale: in un normale forno elettrico (o a gas), il calore si trasmette per irraggiamento e per conduzione, in una direzione che dagli strati più esterni va a quelli più interni; con l’irraggiamento a microonde, invece, può succedere che, nel caso di cibi il cui interno sia molto ricco di acqua o di lipidi, quest’ultimo si riscalderà in modo più veloce rispetto allo strato esterno più secco e asciutto, che, per questo motivo, assorbe meno radiazione a microonde.

Poiché prima abbiamo parlato di pasta cotta, spieghiamo il fenomeno delle bollicine nell’acqua bollente. Avete mai notato che l’acqua, poco prima di bollire, emette una specie di suono sibilante che cessa al bollire dell’acqua stessa?

Il fenomeno è legato proprio alle bollicine e più precisamente alla loro formazione sul fondo della pentola. Ogni bollicina, che altro non è che il risultato dell’accorpamento di molecole di vapore, produce un piccolo suono e la sovrapposizione di migliaia di schiocchi genera un suono continuo. In seguito, le bollicine si staccano dal fondo e salgono in zone dove l’acqua ha una temperatura minore, scoppiando ed emettendo un suono sibilante più forte del precedente. Quando invece l’acqua bolle, ha pressappoco tutta la stessa temperatura e le bollicine si mischiano al vapore superficiale con un’emissione di suono minore.

Come tutti sappiamo, usare un coperchio può velocizzare il raggiungimento dell’ebollizione, con un risparmio energetico, perché trattenendo il vapore caldo si riduce la dispersione termica. Possiamo quantificare questa differenza di tempi? Ho provato a fare un esperimento. Ho preso 4 litri di acqua dal rubinetto (temperatura iniziale 19.5 °C) e ho riempito una pentola che tiene 4,5 litri. Ho messo la pentola sul fuoco (fornello medio, apertura massima) e ho cronometrato quanti minuti servivano per raggiungere varie temperature, sino a 96°C (quasi all’ebollizione). Le misure sono state eseguite con la pentola senza coperchio e con il coperchio.

 Ecco i risultati

 

T °C

Minuti con coperchio

Minuti senza coperchio

40 6:56 7:05
50 10:36 10:40
60 14:09 14:32
70 17:47 18:40
80 21:43 23:33
90 25:34 29:06
96 28:08 34:13

 

Potete notare come le differenze tra i tempi aumentino all’aumentare della temperatura, poiché l’evaporazione aumenta e con essa la dispersione di calore nel caso senza coperchio. Ci si mette circa il 14% in più a portare l’acqua a 90°C e il 20% in più a portarla a 96°C. Direi che in questo caso può valer la pena usare un coperchio. Se è di quelli a vetro, possiamo anche visivamente vedere quando l’acqua bolle senza dover togliere il coperchio per controllare. In teoria anche dopo aver buttato la pasta si potrebbe tenere il coperchio, ma come tutti voi ben sapete questo causa un disastro sul fornello, con schiuma e acqua da tutte le parti.

Altra questione sulla pasta e poi chiudo.

Ho assistito (e fatto anch’io per la verità) a discussioni se sia preferibile aggiungere il sale all’acqua della pasta a freddo o quando bolle. Ora, sapendo che Il punto di ebollizione di un litro di acqua aumenta di un grado Celsius ogni 58 grammi di sale aggiunti, la risposta sarebbe: prima! Leggete bene… Ho scritto ogni 58 grammi di sale, quantità ben superiori a quelle utilizzate in cucina (solitamente 5-10 grammi per litro), per cui a tutti gli effetti pratici l’aggiunta del sale in cucina non aumenta apprezzabilmente il punto di ebollizione. Questo effetto si può osservare non solo con il sale ma con qualsiasi altra sostanza disciolta, anche se l’innalzamento può essere diverso a parità di grammi di sostanza aggiunta. In realtà, da questo punto di vista, la scelta è in pratica ininfluente rispetto ai tempi necessari per portare all’ebollizione. Io la salo prima per evitare di dimenticarmi.

Altro argomento culinario: l’uovo.

Cuocere un uovo in acqua è meno semplice di quanto sembri a prima vista. Un uovo di gallina è composto al 74 % di acqua, al 12 % di proteine e all’11 % di grassi con tracce di vitamine, minerali e altre sostanze. Il grasso è concentrato esclusivamente nel tuorlo, mentre l’albume è sostanzialmente una soluzione al 10 % di proteine in acqua. Sono le proteine, e la loro capacità di coagulare all’aumentare della temperatura, che ci permettono di preparare un uovo sodo. Possiamo immaginare le proteine, sia nell’albume sia nel tuorlo, come dei gomitoli di lana sospesi in un oceano d’acqua. Aumentando la temperatura alcune proteine cominciano a “srotolarsi” parzialmente. Quando due proteine denaturate s’incontrano si possono legare tra loro. A poco a poco si forma un reticolo tridimensionale solido di proteine che intrappola le molecole di acqua al suo interno: è avvenuta la coagulazione. Se tuttavia questa procede troppo a lungo, il reticolo proteico diventa così fitto che “strizza” fuori le molecole di acqua, l’albume assume una consistenza gommosa e poco appetibile mentre il tuorlo diventa secco e quasi sabbioso.

A 100°C l’albume e il tuorlo coagulano entrambi, ma poiché il tuorlo è più lento a cuocere, essendo più interno, l’albume rischia di stracuocere. A seconda della consistenza desiderata dell’albume e del tuorlo le ricette tipicamente consigliano un tempo di cottura ottimale, spaziando dall’uovo alla coque all’uovo sodo, da 2-3 minuti a 10 minuti dal momento in cui viene deposto nell’acqua bollente. Il suggerimento di mettere le uova in acqua fredda serve per bloccare la cottura che altrimenti continuerebbe anche fuori dall’acqua per un po’. In realtà il segreto di una buona cottura dell’uovo non è il tempo ma la temperatura controllata. Si dovrebbe cuocere l’uovo alla temperatura di coagulazione delle proteine, che è sempre minore di 100 °C. Vi sono diverse proteine nell’uovo, e ognuna coagula a temperature diverse. L’ovotransferrina, nell’albume, comincia a coagulare a 62°C e diventa un solido morbido a 65°C. Poiché l’ovotransferrina costituisce solo il 12 per cento delle proteine dell’albume, questo rimane morbidissimo. A 85°C anche l’ovalbumina, che costituisce il 54 per cento delle proteine dell’albume, coagula, e il bianco diventa più compatto. Il tuorlo invece s’inspessisce a 65°C e solidifica a 70°C.

Provateci. Se avete pazienza e un termometro da cucina per tenere sotto controllo la temperatura dell’acqua, potete provare a cuocere un uovo mantenendo l’acqua per un’ora a circa sessantacinque gradi. Se vi piace l’uovo morbidissimo, la vostra pazienza sarà ricompensata dall’incredibile consistenza ottenuta con questa cottura che viene anche eseguita in alcuni famosi ristoranti stellati.

La prossima puntata lasceremo la cucina per esplorare altri fenomeni fisici e chimici prodigiosi che avvengono quotidiamente sotto i nostri occhi.

 

 

 

Fonti:
Perché accade ciò che accade – Andrea Frova- 1995 – BUR Biblioteca Univ. Rizzoli
http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/

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