Finalmente l’estate! Tempo di meritate vacanze dopo un anno di studio o di lavoro.
Tempo di spiaggia, mare, relax… e Fisica!
Ah, ma quindi questo non è uno dei soliti articoli in cui ti dicono quanti addominali e piegamenti fare per poter superare la prova costume e forgiare un fisico da mettere in mostra in spiaggia?
Ebbene, spiacente di deludervi, ma… no.
In questo articolo andremo alla scoperta di un po’ di Fisica che potreste incontrare al mare, per intrattenere i vostri amici e mettere in mostra così il vostro “fisico” da spiaggia.
Tempo di preparare le valigie… si parte!
Cosa non può assolutamente mancare nel vostro bagaglio da mare, se non volete diventare carne grigliata sotto il Sole? Ovviamente, la crema solare.
Come ben saprete, lo spettro della radiazione (l’insieme delle diverse lunghezze d’onda) emessa dal Sole è costituita da una parte di radiazione a noi visibile (quella che chiamiamo luce) e da una parte di radiazione invisibile ai nostri occhi.
Lo spettro di radiazione non direttamente visibile a noi contiene raggi infrarossi, onde radio, raggi X, raggi ultravioletti…
Maggiore è la frequenza (o, alternativamente, minore è la lunghezza d’onda, essendo frequenza e lunghezza d’onda inversamente proporzionali), maggiore è l’energia associata alla radiazione.
Spesso sulle confezioni delle creme solari viene messo in evidenza come queste proteggano dai raggi UVA e UVB, due costituenti della radiazione ultravioletta, che ha lunghezze d’onda minori della luce visibile e quindi è più energetica e dannosa.
In particolare, la radiazione UVA, con lunghezze d’onda tra 400 e 315 nm, costituisce il 99% della radiazione ultravioletta solare.
I raggi UVB sono invece costituiti da radiazione tra 315 e 280 nm. Infine, vi sarebbero anche i raggi UVC, tra 280 e 100 nm, ma questi sono fortunatamente bloccati dallo strato di ozono nella nostra atmosfera.
Ma come ci protegge la crema solare da questa radiazione dannosa?
Per svolgere il loro compito, le creme solari hanno, in genere, due tipi di filtri:
- Filtri fisici, che riflettono la radiazione incidente
- Filtri chimici, costituiti di sostanze chimiche che assorbono i raggi UV.
Fate attenzione a mettere sempre la crema solare, anche se passate la giornata sotto l’ombrellone! I raggi UV, infatti, se ne fanno un baffo del telo dell’ombrellone, lo trapassano e colpiscono la vostra pelle. Ricordate che essere all’ombra non vuol dire essere protetti da tutto lo spettro elettromagnetico.
Altra cosa che non può mancare in spiaggia sono le ciabatte per camminare sulla sabbia.
Cosa dite? A voi piace il contatto con la natura e camminare a piedi nudi in spiaggia?
Allora preparatevi a correre e zompettare per passare da un punto all’altro, soprattutto nelle ore più calde.
Correndo, infatti, il tempo di contatto tra la pianta del piede e la sabbia è minore e, di conseguenza, vi è meno tempo per condurre il calore.
Alternativamente, potreste procedere scavando un po’ in profondità nella sabbia, in modo da trovare della sabbia fresca.
Perché la sabbia in superficie scotta, mentre basta scavare un po’ per trovare della sabbia che non ti ustiona?
La sabbia è costituita da minuscoli frammenti di roccia e detriti di conchiglie; tra un granello e l’altro, sebbene non sia visibile a occhio nudo, vi sono spazi vuoti, riempiti di aria, a causa delle irregolarità e delle diverse dimensioni dei granelli. Questo, in termini di conduzione del calore, si traduce in una bassa conducibilità termica.
Quindi, solamente gli strati esposti direttamente al Sole si scalderanno significativamente, mentre gli strati sottostanti rimarranno più freschi. Segreto svelato!
Dopo aver attraversato tutta la spiaggia a piedi nudi tra sabbia rovente e detriti di conchiglie (a questo punto direi che vi siete meritati il titolo di provetti Indiana Jones), cercate il meritato refrigerio in acqua.
Certo, sarebbe una spiacevole sorpresa se l’acqua fosse rovente come la sabbia. D’altronde volevate rinfrescarvi un po’, non diventare bollito.
Fortunatamente la Fisica viene ancora una volta in nostro aiuto e, con immenso piacere, l’acqua è effettivamente più fresca della sabbia.
Ma perché?
La risposta risiede nel concetto di calore specifico di una sostanza, definito come la quantità di energia che è necessario scambiare con l’unità di massa di una sostanza, ad una determinata temperatura, per farne variare la temperatura di 1°C.
Andando a confrontare i calori specifici dell’acqua e della sabbia, notiamo che la sabbia ha un calore specifico pari a 830 J/(kg*°C), mentre l’acqua ha un calore specifico di 4182 J/(kg*°C).
Osserviamo quindi che per innalzare la temperatura di 1 kg di sabbia di 1°C ci basta il 20% dell’energia necessaria a innalzare la temperatura di una stessa quantità di acqua di 1°C.
La sabbia si riscalderà quindi più velocemente dell’acqua.
Finalmente siete in acqua, vi state godendo un bagno ristoratore quando avanza verso di voi un’onda.
Non appena questa vi raggiunge, vi sposta leggermente verso la spiaggia e vi solleva. Una volta che questa è passata, al contrario, vi sentirete leggermente spinti al largo.
Questo è dovuto al particolare moto delle onde sulla superficie dell’acqua: non sono né onde puramente trasversali (perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda), come quelle che potete avere pizzicando le corde di una chitarra, né onde puramente longitudinali, come quelle che si creano quando andate a perturbare una molla.
Si tratta invece di una composizione dei due moti, che dà origine, in generale, a un moto ellittico delle particelle d’acqua.
Questo si deve all’incompressibilità dell’acqua: se in un punto si sta creando una cresta dell’onda e l’acqua si deve alzare, allora il surplus di acqua rispetto al livello di quiete dovrà arrivare dalle zone adiacenti alla cresta, dove si sta formando una gola.
Concentriamo la nostra attenzione per un attimo sul fondale marino. Qui vi sarà solamente la componente longitudinale dell’onda, non potendo essere presente una componente trasversale (l’acqua non può andare verso il basso sul fondo, insabbiandosi, né emergere dalla sabbia).
Da qui, procedendo verso la superficie del mare, la componente trasversale crescerà con continuità, divenendo sempre più grande. (v. fig. 2)
Questo è il motivo per cui più siete vicini alla riva, più sentite lo spostamento verso la spiaggia rispetto allo spostamento verso l’alto quando attraversate un’onda.
Facendo i conti in dettaglio è anche possibile osservare che, nel suo moto ellittico, la particella d’acqua non ritorna esattamente al punto di partenza dopo un passaggio dell’onda, ma è leggermente spostata nella direzione di propagazione dell’onda: si tratta del drift di Stokes (v. fig. 3).
Questo spiega perché le alghe e la spazzatura gettata in mare si vadano ad accumulare con il tempo nei dintorni delle rive.
Ora che avete un po’ di Fisica da spiaggia nel vostro bagaglio, non mi resta che augurarvi buone vacanze!
Andrea Marangoni
Laurea Magistrale in Fisica con una tesi sui dischi circumstellari presso l’Università degli Studi di Padova.
Appassionato di scienza fin da bambino, tifoso della Juventus, nel tempo libero mi piace dedicarmi all’attività fisica.
“I’m just a mad man in a box”.
Fonti:
- https://www.health.harvard.edu/staying-healthy/the-science-of-sunscreen
- https://open.oregonstate.education/physicsforteachers/chapter/using-powerful-ideas-to-explain-intriguing-phenomena-involving-local-weather-at-the-beach/
- P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, “Fisica – Volume 1”, EdiSES
- A. Bettini, “Le onde e la luce”, Decibel – Zanichelli (1993)
- https://www.youtube.com/watch?v=LUToJL0Ks_s: consiglio la visione di questo video (in inglese), tratto da un corso sul moto delle onde nei mari e negli oceani..
- P. K. Kundu, I. M. Cohen, D. R. Dowling, “Fluid Mechanics”, Academic Press (2012)
