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I diamanti: un tesoro per gli scienziati.

di Irene Feliciotti

Le gemme più splendenti vengono da Arda, ma pietre in grado di imprigionare la luce del sole non se ne trovano sono nella Terra di Mezzo: noi abbiamo i diamanti! Queste pietre preziose non solo attirano l’interesse dell’ego femminile, ma sono anche uno scrigno di segreti per chimici, fisici e geologi!

Il diamante è un reticolo di carbonio in forma solida, come quella della grafite delle matite, che per la sua conformazione riesce ad avere un’incredibile lucentezza e durezza.

Ma per diventare una gemma preziosa, questi atomi devono avere una specifica conformazione degli orbitali atomici e devono sottostare a particolari condizioni di temperatura e pressione.

Ci sono due teorie sulla formazione dei diamanti. La prima ipotizza che si formino nel mantello litosferico ad una profondità compresa tra 40 e 250 km, a una temperatura tra 900° C e 1400° C, e pressioni tra 10 e 80 mila atmosfere.

L’altra teoria prevede che i diamanti si formino da rocce metamorfiche durante i processi di subduzione, ovvero dove una placca scivola al di sotto di un’altra (pensate alla “cintura di fuoco” attorno all’Oceano Pacifico per avere un’idea di una zona di subduzione). La formazione avrebbe inizio entro la placca tettonica che affonda nel mantello terrestre, a partire da 600°C e per pressioni superiori ai 3 gigapascal. Esiste poi un’altra fonte di diamanti: nelle zone di impatto dei meteoriti sono stati riscontrati microcristalli di diamanti.

Un interessante studio pubblicato su Nature ha recentemente ipotizzato una nuova possibile via di formazione dei diamanti: i preziosi minerali potrebbero anche essersi formati nelle profondità della Terra grazie ad una reazione tra roccia e acqua! Quando ci sono infiltrazioni di fluidi (acqua in condizioni supercritiche, non l’acqua che siamo abituati a vedere abitualmente) in rocce calde ad alte pressioni, in particolari condizioni di pH, ci può essere una precipitazione del carbonio e la formazione della pietra preziosa.

Ma per trovare i diamanti non si scava fino a centinaia di km di profondità: questi sono stati portati in superficie da particolari eruzioni esplosive violentissime che in passato hanno perforato la crosta degli antichi continenti formando quei camini diamantiferi dove oggi si trovano le miniere, soprattutto in Canada, Africa australe e Australia.

Altro segreto del diamante e la metastabilità! Il diamante è termodinamicamente instabile, dovrebbe spontaneamente trasformarsi in grafite, se ciò non avviene  è perché il suo reticolo cristallino a forma tetraedrica è cineticamente stabile e impedisce la traslazione degli atomi di carbonio in atomi con orbitali ibridi sp2. Inoltre, esattamente come un pezzo di carbone, il diamante tende a reagire con l’ossigeno in una reazione di combustione: un diamante gettato nel monte fato si trasformerebbe in CO2.

Per le loro caratteristiche chimiche e fisiche i diamanti sono tra i materiali più duri, tanto che possono essere tagliati solo con altri diamanti o con materiali sintetici di recentissimo sviluppo. Per questa loro caratteristica di durezza, per la loro alta conducibilità e per mille altre proprietà, queste pietre sono molto usate in campo tecnologico ed industriale.

Ma per gli scienziati allo studio del loro reticolo cristallino e della loro formazione i diamanti sono molto di più: sono scrigni di conoscenza in cui sono contenuti la storia ed i segreti delle profondità della Terra. Infatti all’interno dei diamanti spesso sono intrappolati sia altri minerali che fluidi, che forniscono informazioni sulla composizione dell’interno della terra. Analizzando le inclusioni, possiamo ricostruire sia il chimismo dei materiali che le condizioni di pressione e temperatura presenti al momento della formazione del diamante che le contiene.

Quindi possiamo dire che i diamanti non sono solo i bellissimi luccicanti amici delle donne, sono piuttosto essi stessi una miniera di conoscenza, una sorta di capsula del tempo che ci mostra come era l’interno della terra alcuni miliardi di anni fa.

Fonti:

https://www.nature.com/articles/ncomms9702
http://www.elementsmagazine.org/toc/toc_v1n2.pdf
https://www.smithsonianmag.com/travel/german-town-contains-millions-diamonds-180961467/



La fetta biscottata con la marmellata vs le leggi della fisica

Il rito della colazione classica con toast e fette biscottate ricoperte di deliziosa marmellata accomuna molte persone in ogni parte del mondo. Allo stesso modo, la caduta della succitata fetta biscottata a terra naturalmente con il lato “condito” rivolto verso il pavimento, è ritenuta tra le maggiori cause di improperi e blasfemie di prima mattina.

Una delle famose massime di Murphy assume l’esempio della fatidica fetta biscottata per dimostrare la fatalità del caso e che ogni cosa che può succedere, accadrà.

Fotogrammi originali dell’esperimento, usati per definire attrito statico e dinamico tra fetta e tavolo

Può far sorridere scoprire che fior di scienziati hanno studiato e dimostrato sperimentalmente che questo fenomeno non ha nulla a che vedere con iatture o gatti neri. e che non è correlato con il valore del tappeto!

Esso è dovuto semplicemente alla fisica coinvolta, che si rifà, con le dovute semplificazioni, al principio di caduta dei gravi e al momento di inerzia del toast.

Assumendo un tavolo standard alto 75 cm, e un “toast standard” di dimensioni pari a 10.2×9.5×1.3 cm, uniformemente ricoperto di marmellata e con centro di massa a “metà” della lunghezza della fetta, si dimostra che: per una lunghezza di sporgenza fino al 6 -7.5% (a seconda dell’ attrito tavolo-fetta) della metà della larghezza della fetta suddetta (circa 1 cm oltre il baricentro quindi), velocità orizzontale iniziale zero, e tralasciando i rimbalzi a terra, la fetta raggiunge il pavimento prima di aver compiuto una rotazione completa sul suo asse (e spalmandosi impietosamente per terra sul lato della marmellata).

Analisi schematica delle forze in gioco

Studi sperimentali hanno dimostrato che per sporgenze maggiori del 6-7%, la velocità angolare di caduta è tale che la fetta riesce a compiere una rotazione completa e ad atterrare sul lato “non condito”.

Anche l’altezza di caduta, cioè del tavolo, è un parametro critico: nella dissertazione completa del 1995 (qui citata nei credit) si dimostra come se avessimo tavoli sufficientemente alti, la fetta di toast cadrebbe molto più spesso sul lato opposto alla marmellata. Piccolo problema: i tavoli dovrebbero essere alti circa 3 metri.

Se pensate che un team di fisici sia sprecato per dimostrare questo semplice dilemma di tutti i giorni, considerate che è stato insignito del premio Ignobel per la fisica nel 1996. [RL]

#noidiminerva #Toast #fisica #Ignobel

Credits:

completa dissertazione : http://space.umd.edu/dch/p405s04/AJP00038.pdf

Robert A. J. Matthews, ‘‘Tumbling toast, Murphy’s law and the fundamental constants,’’ Eur. J. Phys. 16 ~4!, 172–176 ~July 1995

La musica come doping

Che musica ascolti in palestra? Qual è la tua playlist quando vai a correre? Sai quali sono gli effetti della musica sul tuo cervello e le tue prestazioni?
La musica è fatta di ritmo, armonia, tempo e contenuto che sono anche gli elementi alla base dei movimenti fisici. Quindi un legame tra questi era inevitabile e se ne occupa una nuova branca della ricerca chiamata “neuromusicologia”.

Nel 2007, l’US Track & Field, l’ente nazionale per le corse a distanza, ha vietato l’uso di cuffie e lettori audio portatili nelle sue gare ufficiali, “per garantire la sicurezza e impedire ai corridori di avere un vantaggio competitivo”. Molti corridori hanno protestato contro la regola perché sanno quanto questa sia importante per le loro prestazioni.

Ed è vero: la musica è effettivamente “un doping legale” come dice il dottor Costas Karageorghis, esperto del settore, La musica esercita un effetto energizzante ritardando l’affaticamento e aumentando la capacità di lavoro. In genere, ciò comporta livelli di resistenza, potenza, produttività o forza superiori al previsto.

La musica in effetti ha un potentissimo effetto sul nostro cervello; riesce ad accenderlo come se fosse un albero di natale.
La giusta playlist infatti è in grado di attivare molte aree cerebrali: raggiunge il lobo parietale e il cervelletto, responsabili delle nostre funzioni motorie e della coordinazione; la corteccia visiva, con effetti sulla nostra immaginazione, e allo stesso tempo il lobo limbico, deputato alla gestione delle emozioni, e il lobo temporale, dove ha sede la nostra memoria.

 Così facendo aumenta la produzione di neurotrasmettitori, primo fra tutti dopamina. La dopamina è responsabile della “motivazione”: quando proviamo un’emozione piacevole il nostro cervello invia dopamina al nucleo acumbens, il ragioniere cerebrale del meccanismo di ricompensa, che ci spinge a sua volta a provare di nuovo l’esperienza, creando una sorta di dipendenza dalla soddisfazione. Questa molecola positivamente coinvolta nelle funzioni di memoria e locomozione e nelle emozioni.

Inoltre con una musica veloce si è visto che aumentano i livelli di cortisolo, ormone dello stress, che contribuisce a mettere in circolo più zuccheri; mentre diminuiscono con una musica lenta e rilassante.
Come può quindi aiutarci la musica durante le nostre attività atletiche? Ci sono 3 modi:

1- Dissociazione. Perché la musica ci costringere a distogliere la mente dalla stanchezza e da altri pensieri che si insinuano durante la nostra performance. In particolare distoglie l’attenzione dall’affaticamento e dal dolore quando siamo impegnati in un’attività di resistenza fisica come la corsa, il ciclismo o il nuoto. Gli studiosi della Brunel University nel Regno Unito, hanno infatti dimostrato come la musica può ridurre il tasso di sforzo percepito del 12% e migliorare la resistenza del 15%.

2- Sincronizzazione. Ovvero andare a ritmo con la musica aumenta gli output della prestazione. Ad esempio la musica può darci un tempo da seguire noi lo faremo inconsciamente. Vi basti pensare alla colonna sonora della vostra corsa quando volete aumentare la velocità. D’altra parte un tempo più lento può essere favorevole ad attività che richiedono più concentrazione e controllo.

3- Motivazione. Diversi studi hanno collegato la musica con sentimenti e ricordi positivi. La musica può stimolare la motivazione interna innescando buone emozioni, aiutandoti a provare un piacere molto maggiore dall’attività stessa.
Inoltre è stato visto che il messaggio che viene veicolato con il brano ha anche una forte influenza. Se per esempio per abitudine, che può essere averlo sentito come colonna sonora di un film o in una pubblicità, associamo un testo ad un messaggio di lotta, fatica e motivazione, questo ci spingerà a dare il meglio di noi quando siamo in un momento di stress fisico.

Il consiglio degli esperti è quindi di creare una playlist in vista del prossimo allenamento assemblando un’ampia selezione di brani con i seguenti requisiti: ritmo forte ed energizzante; testi positivi che hanno associazioni con il movimento; schema ritmico ben accoppiato a schemi di movimento dell’attività atletica; associazioni con il trionfo o il superamento delle avversità (“We are the Champions” potrebbe essere un buon inizio).

di Irene Feliciotti

Fonti:
Terry, Peter & I Karageorghis, C. (2011). Music in sport and exercise. The new sport and exercise psychology companion.
Szczepan, Stefan; Kulmatycki, Leslaw. Baltic Journal of Health and Physical Activity; Gdansk Vol. 4, Fasc. 3,  (2012): 197. DOI:10.2478/v10131-012-0021-0
https://thehealthsciencesacademy.org
Costas I. Karageorghis & David-Lee Priest (2012): Music in the exercise domain:a review and synthesis (Part I), International Review of Sport and Exercise
https://www.psychologytoday.com/au/blog/why-music-moves-us/201301/music-and-exercise-what-current-research-tells-us

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