Fisica

Come si dispongono i cereali in una ciotola? Ecco l'effetto “noce del Brasile”

In una scodella di noci e noccioline o di muesli i componenti più grandi si dispongono sempre in cima. Gli scienziati catturano in un video la dinamica del fenomeno chiamato "effetto noce del Brasile"
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Perché in una ciotola di noci e noccioline i frutti più grandi si dispongono più in alto degli altri? Non è un caso o un'illusione ottica, ma di complesso un fenomeno fisico, chiamato dagli scienziati “effetto noce del Brasile”, dove questa noce, più grande delle altre, si posiziona in cima. In alcuni materiali, detti granulari e composti da tante particelle macroscopiche, come lo zucchero, ma anche i cereali o la ghiaia, i granuli di dimensioni maggiori tendono a salire verso l'alto quando mossi dall'esterno. Oggi un gruppo dell'Università di Manchester ha riprodotto in un video in 3D l'effetto noce del Brasile e il moto delle noci in un contenitore. Lo studio, pubblicato su Scientific Reports, potrebbe avere implicazioni anche per l'industria farmaceutica e quella alimentare dove la selezione delle dimensioni migliori per i prodotti assume un ruolo centrale.

(Credits: The University of Manchester)

Dalle noci ai cereali, fino ai fiumi. In generale sembra controintuitivo pensare che palline più gradi, dunque presumibilmente anche più pesanti, salgano verso l'alto se mosse. Invece è così: in determinate circostanze i materiali granulari, proprio per la loro particolare composizione, si possono comportare come fluidi, cioè come liquidi o gas e assumere un comportamento “non convenzionale” per i solidi. Le noci non sono l'unico oggetto fisico per cui vale l'effetto descritto: se ci facciamo caso anche cereali di forme e grandezza differenti, come il muesli – tanto che si parla anche di “effetto muesli – la sabbia, i detriti, il riso, la farina e tanti altri oggetti si comportano in questo modo.

Possiamo fare una prova a casa anche subito con del riso, dei cereali, delle perline a cui possiamo aggiungere una pallina più grande. Osserviamo che muovendo la ciotola o il contenitore i granuli più grandi tenderanno a disporsi in superficie. L'effetto è studiato anche nel settore delle scienze della terra e della geofisica: in questo caso può coinvolgere anche la disposizione dei ciottoli lungo il letto dei fiumi, come mostra una recente ricerca su Nature Communications, e dunque è importante per lo studio dell'erosione fluviale.
 

Forma e orientamento, gli elementi chiave. I ricercatori hanno catturato il moto e riprodotto l'effetto con una sofisticata tecnica di imaging in 3D: si tratta di un risultato finora unico, come spiegano. Mentre il pacchetto di noci veniva ripetutamente agitato, il movimento delle arachidi e delle più grandi noci brasiliane è stato visualizzato e seguito mediante una tomografia computerizzata a raggi X in time-lapse. Il time-lapse è una tecnica cinematografica e fotografica che consente di riprodurre in maniera accelerata immagini e filmati. La ricerca consente di capire un po' meglio da cosa è guidato il complesso effetto noce del Brasile. Un elemento chiave è l'orientamento iniziale della noce, ovvero dell'oggetto.

“Abbiamo osservato – sottolinea Parmesh Gajjar, che ha coordinato lo studio – che le noci brasiliane che partono in orizzontale non iniziano a risalire fino a quando non hanno prima ruotato sufficientemente rispetto al loro asse verticale Una volta raggiunta la superficie, poi, ritornano a stendersi in orizzontale”.


Le applicazioni. Questo risultato e la ricerca in questo ambito è importante, secondo gli autori, anche per la loro applicazione in vari settori industriali. “Per esempio in medicina è essenziale – aggiunge Gajjar – per garantire una distribuzione uniforme dei principi attivi nelle compresse, ma anche in ambito alimentare per la lavorazione degli alimenti”. E ancora, nell'industria delle infrastrutture e edile nelle attività estrattive e nelle costruzioni.

La fisica dell'“effetto noce del Brasile”. Studiato da tempo, il fenomeno fisico alla base è piuttosto complesso e si chiama segregazione (o convezione) granulare ed è dovuto a due particolari meccanismi detti percolazione e convezione. La percolazione fa sì che le palline più piccole si muovano scendendo verso il basso attraverso i granelli più grandi, raggiungendo il fondo del contenitore, mentre la convezione vede lo spostamento dei granuli più grandi che risalgano verso l'alto. Il processo è dominato da numerose forze e condizioni fisiche, fra cui la gravità, che porta i chicchi verso il basso, e gli urti fra i granelli che producono attrito ed energia meccanica. E oggi i ricercatori hanno dimostrato in immagini come anche l'orientamento iniziale sia un elemento importante nella dinamica del fenomeno.