Esperimenti divertenti con una camera a vuoto

Una camera a vuoto realizzata con l’ausilio di una pompa da vuoto commerciale e con una campana per il vuoto acquistata, o eventualmente auto-costruita, è uno strumento scientifico educativo che permette di fare numerosi divertenti esperimenti di fisica. Molte di queste esperienze, oltre ad essere interessanti di per sé, possono costituire anche degli ottimi test per verificare il corretto funzionamento della tua camera a vuoto se non disponi di un manometro. Se invece disponi di quest’ultimo, puoi misurare il livello di vuoto creato nella camera semplicemente appoggiando il manometro all’interno della stessa. 

I miglioramenti nella scienza e tecnologia del vuoto hanno diffuso la sua applicazione in vaste aree della conoscenza e ora essa svolge un ruolo importante in molti diversi ambienti industriali e di ricerca. L’uso crescente di sistemi di vuoto elaborati e ben progettati porta alla necessità di personale ben addestrato e di ingegneri in questo settore, per cui la formazione di ricercatori e tecnici con una pratica effettiva nei laboratori è importante in un campo come la scienza e tecnologia del vuoto.

Per la formazione degli studenti, è cruciale che possano venire effettuate misure quantitative dirette durante il lavoro sperimentale, piuttosto che la semplice messa in opera dei sistemi di vuoto e l’analisi qualitativa di dimostrazioni più o meno banali. Esperimenti semplici che consentano di eseguire misurazioni dirette delle caratteristiche del sistema di vuoto e delle proprietà dei materiali sono quindi importanti, ed i risultati possono venire confrontati con i valori riportati in letteratura.

Confronto fra due comuni scale per misurare il vuoto.

In questo articolo illustreremo una serie di esperimenti – alcuni qualitativi, altri quantitativi – di diverso livello effettuabili con una camera a vuoto del tipo a campana come quelle usate nei laboratori didattici delle scuole. La camera a vuoto può essere eventualmente auto-costruita partendo da una pompa da vuoto commerciale a uno stadio, che oggi hanno un costo accessibile (vedi ad es. alcuni modelli qui) e permettono di raggiungere una pressione finale di circa 0,05 mbar (o 5 Pa, essendo 1 Pa = 0,01 mbar). Descrivo la realizzazione di una camera a vuoto nell’articolo Come creare una buona camera a vuoto.          

Dimostrazioni semplici e veloci per iniziare

Un primo possibile esperimento di fisica che puoi fare con una camera a vuoto è quello dell’espansione della crema da barba. Metti un po’ di schiuma della crema da barba all’interno di un contenitore nella tua camera a vuoto (che viene poi sigillata), accendi la pompa da vuoto e osserva che le molecole si espandono e la schiuma della crema da barba cresce ed esce dal contenitore! Non lasciare però funzionare troppo a lungo la pompa da vuoto, altrimenti potrebbe tirarsela all’interno, danneggiandola.

Una nota variante di questo esperimento consiste nel far crescere un solido. Metti all’interno della camera a vuoto alcuni di quei marshmallow terribilmente malsani, ma gustosi, ricoperti di zucchero, che gli americani adorano. A questo punto accendi la pompa. Li vedrai lentamente gonfiarsi e letteralmente trasformarsi sotto i tuoi occhi. Questo può essere anche un ottimo test per verificare il corretto funzionamento della tua camera a vuoto se non disponi di un manometro.

Un altro simpatico esperimento è quello di far crescere un palloncino. In pratica, prendi un comunissimo palloncino, riempilo un po’ d’aria e legalo dentro la camera a vuoto, dopodiché accendi la pompa da vuoto. Vedrai che il pallone si espande mentre l’aria viene estratta dalla camera. Naturalmente, è possibile che a un certo punto il palloncino esploda, per cui dovrai essere molto pronto a spegnere la pompa quando ciò accade, per evitare che frammenti del palloncino finiscano nella pompa.

Un successivo possibile esperimento può mostrare come il creare un vuoto può muovere l’acqua. Metti due vasi collegati alla base da un tubo dentro una camera a vuoto. Uno dei due vasi è pieno d’acqua ed ha un piccolo contenuto d’aria in cima grazie al suo tappo sigillato. Accendi la pompa da vuoto. Quando l’aria viene rimossa dalla camera a vuoto, la pressione all’interno del piccolo barattolo preme verso il basso e costringe l’acqua ad andare nel tubo ed a passare così nell’altro vaso.

Una più semplice variante di questo esperimento, noto come “barometro ad acqua”, vi permetterà di stimare il livello di vuoto raggiunto anche senza avere un manometro. Auto-costruiamo un barometro ad acqua con una bottiglia di plastica e un tubo di plastica chiuso a un’estremità (trovate vari progetti a riguardo su Internet). Compara il livello dell’acqua nel tubo chiuso (sotto un certo volume di aria intrappolata) e quello dell’acqua nel recipiente aperto e quindi esposto all’aria.

Un altro tipo di esperimento fattibile con una camera a vuoto è: “Hai sentito suonare?”. Appendi un campanello elettrico o un timer da cucina nella tua camera a vuoto con un nastro di gomma e accendi la pompa da vuoto. Mentre le molecole d’aria vengono estratte dalla camera, il suono scomparirà lentamente finché non sarà sparito! Un ottimo test per la camera e per spiegare agli studenti perché un astronauta non verrebbe mai sentito se dovesse iniziare a urlare mentre si trova nello spazio.

Altre esperienze scientifiche con camere a vuoto  

Anche l’aria ha una massa (la densità dell’aria è di circa 1,3 mg/cm³), ed è possibile dimostrarlo con il seguente esperimento. La camera a vuoto può essere costituita semplicemente da un contenitore metallico o di policarbonato avente un volume di almeno 500 cc ed una valvola. Si pone la camera a vuoto su una bilancia digitale di precisione per una prima pesata. Si effettua il vuoto nel contenitore e lo si pesa di nuovo. Il cambiamento di peso atteso per un contenitore da 500 cc è di soli 0,65 g.

Quello dell’acqua bollente a temperatura ambiente è un altro bell’esperimento – basato sulla Legge dei gas combinati e sulla Legge dei gas ideali – che dà un impressionante spettacolo visivo. Riempi un bicchiere d’acqua per 1/3 pieno e posizionalo all’interno della camera a vuoto. È possibile aggiungere un termometro sia all’interno del bicchiere che all’esterno della camera a vuoto per un confronto. Una fotocamera digitale e un proiettore possono essere utili per aiutare gli studenti a leggere il termometro.

Le pompe da vuoto più potenti fanno bollire l’acqua a temperatura ambiente quando la pressione è sufficientemente bassa. Alcune pompe per vuoto fanno bollire l’acqua se essa è già calda, in genere tra 50 °C e 80 °C. Come l’acqua bolle, il vapore acqueo può appannare il vetro della camera a vuoto o entrare nella pompa da vuoto attraverso il tubo che la collega alla camera. Perciò spegni la pompa quando l’acqua inizia a bollire. Presta attenzione a quando maneggi l’acqua a questa temperatura.

Un esperimento famoso che si può fare meglio con una camera a vuoto modificata – in pratica in un tubo a vuoto, anziché in una campana – è quello di Galileo Galilei sulla caduta dei gravi, che la leggenda racconta abbia effettuato facendo cadere degli oggetti dalla Torre di Pisa. Egli stabilì così per la prima volta in modo convincente che oggetti di peso diverso cadono alla stessa velocità. Intorno al 1662, Christian Huygens eseguì l’esperimento nel vuoto per eliminare l’effetto della resistenza dell’aria.

Per eseguire un esperimento simile, prendiamo un piccolo magnete, una rondella di ferro (o una pallina leggera con un fil di ferro) e una piuma molto piccola. Lascia cadere la piuma e la rondella da un’altezza di circa 30 cm per mostrare che cadono a una velocità diversa. Fissare la rondella con la punta della piuma sotto la parte inferiore del coperchio della camera a vuoto grazie a un magnete posto all’esterno. Sigilla la camera / tubo e accendi la pompa da vuoto. Togli il magnete e osserva le velocità con le quali la rondella e la piuma cadono ora.

Naturalmente, con un sistema da vuoto sono possibili numerosi altri esperimenti, in particolare quelli legati a particelle da accelerare: ad es. una pompa da vuoto può essere utile per un acceleratore di particelle, per un generatore di raggi X, per reattori al plasma, etc. Dato che tali esperimenti comportano apparati più complessi e la possibile produzione di prodotti potenzialmente pericolosi (raggi X, raggi gamma, neutroni, etc.), le relative esperienze verranno illustrate separatamente in altrettanti articoli.

Infine, una misurazione che si può fare con un sensore di pressione elettronico è quella che permette di determinare la curva della pressione nella camera nel corso del tempo. Nella figura qui sotto, ad esempio, vediamo una curva ottenibile con una pompa da vuoto spinto a due stadi (costituita da una piccola pompa a diffusione d’olio seguita da una pompa rotativa) usata a livello universitario confrontata con la curva ottenibile con una pompa monostadio più economica. Si noti come con la prima si riescano a raggiungere in pochi minuti livelli di vuoto spinto, pari a circa 1 Pa (ovvero 0,01 mbar).

La curva della pressione in una camera a vuoto con una pompa a due stadi per il vuoto spinto (che permette di arrivare a pressioni di circa 0,01 mbar) è indicata con i pallini pieni, quella ottenuta con una pompa monostadio (circa 0,05 mbar) è indicata con i pallini bianchi.