Il calore può mettere in movimento un fluido anche senza pompe, ventole o altri strumenti. Basta infatti creare una differenza di temperatura perché porzioni dello stesso fluido inizino a salire e scendere.

È il principio della convezione, un processo fondamentale non soltanto nei liquidi, ma anche nell’atmosfera.

Con questo semplice esperimento utilizzeremo acqua calda e acqua fredda colorata per rendere visibili movimenti che normalmente sarebbero difficili da osservare. Vedremo l’acqua più calda tendere a salire, quella più fredda scendere e, progressivamente, formarsi una vera circolazione all’interno del recipiente.

L’obiettivo non è soltanto ottenere un effetto colorato: vogliamo capire perché una differenza di temperatura può mettere in movimento un fluido e cosa c’entra tutto questo con la meteorologia.

Scheda dell’esperimento

Difficoltà	Facile
Durata della preparazione	10-15 minuti
Tempo di osservazione	5-10 minuti
Pericolosità	Bassa
Età minima consigliata	8 anni
Bambini da soli?	No durante la preparazione dell’acqua calda
Supervisione di un adulto	Sì, soprattutto durante la preparazione e la manipolazione dell’acqua calda
Adatto alla scuola	Sì, scuola primaria e secondaria di primo grado
Luogo consigliato	Casa, aula o laboratorio
Tipo di attività	Osservazione e confronto

Materiali necessari

• 1 recipiente trasparente abbastanza grande, preferibilmente rettangolare;
• acqua a temperatura ambiente;
• 1 bicchiere di acqua calda, ma non bollente;
• 1 bicchiere di acqua molto fredda;
• colorante alimentare rosso;
• colorante alimentare blu;
• 2 pipette, contagocce oppure piccole siringhe senza ago;
• 2 bicchieri o recipienti trasparenti;
• un cucchiaino;
• un vassoio o alcuni panni per eventuali gocce d’acqua;
• facoltativo: un termometro per misurare le temperature.

Prima di iniziare: sicurezza

L’esperimento presenta un rischio basso, ma utilizza acqua calda. Non è necessario portarla a ebollizione: è sufficiente che sia nettamente più calda dell’acqua presente nel recipiente.

Per l’esperimento possiamo utilizzare acqua intorno ai 45-50 °C, quindi abbastanza calda da produrre una differenza evidente di densità ma molto più semplice da gestire rispetto all’acqua bollente.

Nel caso di bambini, la preparazione e la manipolazione dell’acqua calda devono essere effettuate con la supervisione di un adulto.

Passo 1 – Prepara il recipiente

Riempi il recipiente trasparente con acqua a temperatura ambiente.

Non è necessario arrivare fino al bordo: lascia qualche centimetro libero per evitare fuoriuscite quando aggiungeremo altra acqua.

Una volta riempito, aspetta uno o due minuti. L’acqua deve essere il più possibile ferma, perché eventuali movimenti prodotti durante il riempimento potrebbero rendere più difficile distinguere le correnti generate dalla temperatura.

Passo 2 – Prepara l’acqua calda rossa

Versa nel primo bicchiere una piccola quantità di acqua calda.

Aggiungi alcune gocce di colorante alimentare rosso e mescola delicatamente fino a ottenere un colore facilmente visibile.

Il colorante non serve a provocare il movimento: funziona semplicemente come un tracciante, permettendoci di seguire il percorso dell’acqua.

Se disponi di un termometro puoi annotare la temperatura iniziale. Non serve raggiungere un valore preciso: ciò che ci interessa è avere una differenza evidente rispetto all’acqua del recipiente.

Passo 3 – Prepara l’acqua fredda blu

Nel secondo bicchiere prepara invece dell’acqua molto fredda.

Puoi raffreddarla precedentemente in frigorifero oppure utilizzare qualche cubetto di ghiaccio e rimuoverlo prima dell’esperimento.

Aggiungi alcune gocce di colorante alimentare blu e mescola.

Anche in questo caso il colore serve solamente a seguire il movimento dell’acqua.

Avremo quindi tre masse d’acqua facilmente distinguibili:

• l’acqua trasparente del recipiente, a temperatura ambiente;
• l’acqua calda rossa;
• l’acqua fredda blu.

Passo 4 – Introduci lentamente l’acqua calda

Preleva un po’ di acqua rossa con una pipetta o con una piccola siringa senza ago.

Porta delicatamente la punta verso il fondo del recipiente e rilascia l’acqua molto lentamente.

È importante non spruzzarla con forza: vogliamo ridurre al minimo il movimento prodotto dalla nostra mano e osservare quello generato soprattutto dalla differenza di temperatura.

Dopo aver rilasciato l’acqua, fermati e osserva.

Il rosso dovrebbe iniziare a formare una specie di pennacchio che tende progressivamente a salire verso la superficie.

Passo 5 – Introduci l’acqua fredda

Ora utilizza la seconda pipetta per prelevare l’acqua blu.

Questa volta rilasciala lentamente vicino alla superficie, possibilmente nella parte opposta del recipiente rispetto all’acqua calda.

Anche qui dobbiamo procedere con delicatezza.

Dopo pochi istanti dovremmo osservare un comportamento quasi opposto: l’acqua blu tende a formare filamenti o pennacchi diretti verso il basso.

Passo 6 – Osserva la circolazione

A questo punto non aggiungere più acqua e lascia che il sistema evolva.

Osservando con attenzione possiamo vedere contemporaneamente:

• il rosso che tende a risalire;
• il blu che tende a scendere;
• movimenti orizzontali che collegano le due zone;
• una progressiva mescolanza dei colori.

Quello che stiamo osservando non è più soltanto lo spostamento di due piccole quantità di acqua: nel recipiente può svilupparsi una vera circolazione convettiva.

L’acqua calda sale, si sposta e progressivamente si raffredda; quella fredda scende e tende lentamente a riscaldarsi.

Con il passare del tempo le temperature diventano sempre più simili e il movimento tende a rallentare.

Che cosa dobbiamo osservare?

La parte più importante dell’esperimento non è ottenere due colori perfettamente separati, ma osservare la direzione iniziale dei loro movimenti.

Nell’intervallo di temperature utilizzato nell’esperimento, l’acqua più calda ha una densità leggermente inferiore rispetto all’acqua più fredda.

Per questo:

• l’acqua calda tende a risalire;
• l’acqua fredda tende a scendere;
• la differenza di temperatura produce una circolazione;
• quando le temperature si uniformano, il movimento convettivo diminuisce.

I colori possono diventare progressivamente meno definiti perché, oltre alla convezione, intervengono anche mescolamento e diffusione.

Perché l’acqua calda sale?

Quando l’acqua viene riscaldata, le sue proprietà fisiche cambiano leggermente.

Nelle condizioni utilizzate nel nostro esperimento, una stessa quantità di acqua più calda occupa un volume leggermente maggiore e risulta quindi meno densa dell’acqua più fredda circostante.

La spinta di galleggiamento favorisce quindi la risalita della massa più calda.

Al contrario, l’acqua fredda è più densa e tende a muoversi verso il basso.

Si crea così un movimento organizzato nel quale porzioni di fluido trasportano energia da una zona all’altra.

Questo meccanismo prende il nome di convezione.

Il colorante crea le correnti?

No.

Il colorante alimentare serve soltanto a rendere visibile qualcosa che avverrebbe comunque.

Senza il rosso e il blu il movimento dell’acqua sarebbe molto più difficile da seguire a occhio nudo, perché l’acqua calda e quella fredda sono entrambe trasparenti.

I colori funzionano quindi come marcatori: ci mostrano dove si trovano e in quale direzione si stanno spostando le diverse masse d’acqua.

Attenzione: non conta il movimento della pipetta

Quando introduciamo l’acqua nel recipiente produciamo inevitabilmente un piccolo movimento.

Per questo è importante rilasciarla lentamente e aspettare qualche secondo prima di interpretare ciò che vediamo.

Una corrente generata da uno spruzzo troppo forte potrebbe essere scambiata per convezione.

La caratteristica interessante dell’esperimento è invece osservare che, una volta terminato il movimento iniziale prodotto dalla pipetta, l’acqua calda continua a mostrare una tendenza verso l’alto e quella fredda verso il basso.

Cosa c’entra con l’atmosfera?

L’aria e l’acqua sono fluidi differenti, ma il principio della convezione è fondamentale anche in meteorologia.

Quando il Sole riscalda il terreno, il suolo trasferisce parte di questa energia all’aria immediatamente sovrastante.

Se una porzione d’aria diventa più calda rispetto all’ambiente circostante, tende a espandersi e a diventare meno densa. Se le condizioni atmosferiche lo permettono, può quindi iniziare a salire.

Contemporaneamente altra aria può prendere il suo posto nei livelli più bassi.

Questi movimenti verticali sono alla base delle correnti convettive atmosferiche.

Le termiche che si sviluppano nelle giornate soleggiate, la crescita di molte nubi cumuliformi e, nelle situazioni più instabili, parte dei moti verticali che alimentano temporali e cumulonembi sono tutti fenomeni nei quali la convezione svolge un ruolo importante.

Questo non significa naturalmente che ogni massa d’aria calda che sale produca un temporale: servono umidità, instabilità e molte altre condizioni atmosferiche favorevoli.

Il nostro recipiente non è un’atmosfera in miniatura perfetta

L’esperimento permette di visualizzare molto bene il principio della convezione, ma non riproduce completamente ciò che avviene nell’atmosfera.

L’acqua e l’aria hanno proprietà diverse e il nostro recipiente presenta pareti, dimensioni ridotte e condizioni estremamente semplificate.

Nell’atmosfera intervengono inoltre molti altri fattori: vento, pressione, umidità, condensazione, evaporazione, rilievi, radiazione solare e movimenti su scale enormemente più grandi.

Il valore dell’esperimento è quindi mostrare chiaramente uno dei meccanismi fisici fondamentali, non costruire un modello completo del tempo atmosferico.

Prova a trasformarlo in un piccolo laboratorio

L’esperimento può diventare ancora più interessante se viene ripetuto modificando una sola condizione alla volta.

Per esempio possiamo eseguire tre prove:

• grande differenza di temperatura: acqua molto calda e acqua molto fredda;
• piccola differenza di temperatura: acqua soltanto leggermente più calda e più fredda rispetto al recipiente;
• prova di controllo: acqua rossa e blu entrambe alla stessa temperatura dell’acqua presente nel recipiente.

Possiamo quindi confrontare la velocità e l’intensità dei movimenti osservati.

La prova di controllo è particolarmente utile perché permette di capire quanto del movimento iniziale dipenda dalla pipetta e quanto invece dalla differenza di temperatura.

Un piccolo diario dell’esperimento

A scuola o a casa possiamo annotare per ogni prova:

• temperatura dell’acqua rossa;
• temperatura dell’acqua blu;
• temperatura iniziale del recipiente;
• tempo impiegato dal rosso per raggiungere la parte superiore;
• tempo impiegato dal blu per raggiungere il fondo;
• quanto velocemente i colori iniziano a mescolarsi.

Non servono misure perfette: l’obiettivo è imparare a osservare, confrontare e formulare un’ipotesi.

Che cosa abbiamo imparato?

• Una differenza di temperatura può mettere in movimento un fluido.
• Nelle condizioni dell’esperimento, l’acqua più calda tende a essere meno densa e a salire.
• L’acqua più fredda tende invece a essere più densa e a scendere.
• Il movimento combinato può generare una circolazione convettiva.
• Il colorante rende visibili le correnti, ma non è la causa del loro movimento.
• Quando le temperature diventano simili, la convezione tende a indebolirsi.
• Lo stesso principio generale è importante anche nell’atmosfera, dove contribuisce ai movimenti verticali dell’aria e allo sviluppo delle nubi convettive.

Con acqua, due colori e pochi minuti possiamo quindi rendere visibile un processo che nell’atmosfera avviene continuamente su dimensioni enormemente più grandi.

La convezione mostra bene come una semplice differenza di temperatura possa trasformarsi in movimento. Ed è proprio osservando questi piccoli fenomeni in laboratorio che diventa più semplice comprendere alcuni dei grandi meccanismi della meteorologia.