Le grandi domande della vita: Un costume per nuotare

Nell'articolo di sabato scorso delle Olimpiadi Spaziali ci siamo occupati del nuoto, disciplina che peraltro alle Olimpiadi vere ha portato all'Italia (per ora) il maggior numero di medaglie, 7, anche se nessuna d'oro. Nell'articolo ci siamo, però, occupati anche di una disciplina acquatica un po' più tecnica come quella dei tuffi.

Tuffarsi su Titano

Non solo Titano, ma anche Encelado, due delle lune di Saturno dotate di fluidi al cui interno è possibile tuffarsi e nuotare. Iniziamo, però, dai tuffi. La vittoria nella disciplina olimpica si gioca sulla capacità degli atleti nell'eseguire figure il più complesse possibile nel tempo che viene loro concesso dalla caduta. Tecnicamente i tuffatori si danno una spinta verso l'alto, per poi lanciarsi contro la superficie dell'acqua della piscina sottostante. Nel caso di un tuffo dal trampolino questa prima fase risulta semplificata e consente, così, una quota decisamente superiore rispetto a quella della partenza (abbiamo due differenti discipline: 3 m e 10 m, che vengono svolte sia in singolo sia in sincrono), mentre nel tuffo dalla piattaforma gli atleti possono confidare solo nella forza dei loro muscoli per riuscire a saltare quei centimetri più in alto che gli permetterebbero di portare a termine i volteggi previsti (anche nel caso della piattaforma abbiamo 3 e 10 metri).
Il semplice gesto di cadere da altezze così piccoli, porta a un tempo di caduta dell'ordine del secondo: questo giusto per dare il livello di difficoltà della disciplina, che quindi spinge gli alteti a realizzare figure più o meno complesse in tempi molto brevi. Generalmente queste figure implicano la rotazione in aria del corpo del tuffatore, che poi deve distendersi completamente prima di entrare in acqua, cosa necessaria per evitare di spanciare e ridurre al minimo possibile gli schizzi dovuti all'ingrasso.
La fisica dietro la disciplina dei tuffi si basa, sostanzialmente, su due distinte equazioni di base: quella della caduta degli oggetti e quella della rotazione dei corpi rigidi. In questo secondo caso, che non abbiamo trattato nell'articolo su EduINAF, entra in gioco il momento angolare. Questa è una grandezza fisica che tiene conto del raggio e della velocità di rotazione per descrivere come ruota l'oggetto. Il momento angolare ci dice che, come per le ballerine, più compatto è il sistema, maggiore è la velocità di rotazione e quindi il numero di giri che l'oggetto è in grado di compiere. E quindi più spettacolare risulta il tuffo dell'atleta.
L'aspetto della spettacolarità è importante nei tuffi, questo perché è strettamente legato alla difficoltà del tuffo stesso, dovuta, come scritto prima, anche alla sua brevità. Se, però, spostiamo il tuffo su Titano o su Encelado, dove l'attrazione di gravità risulta inferiore rispetto alla Terra, il tempo di caduta risulta molto più lungo e quindi il tuffo, anche se tecnicamente più semplice, può diventare per lo spettatore decisamente più spettacolare, proprio perché l'atleta può compiere un maggior numero di rotazioni e di figure complesse.
In questo caso, per la caduta di un'oggetto, l'equazione, ricavata dalla conservazione dell'energia meccanica, presenta una radice quadrata: \[t = \sqrt{\frac{h}{2 g}}\] Questo vuol dire che una gravità che è 7 volte inferiore rispetto a quella terrestre, come ad esempio quella di Titano, ha come conseguenza un tempo di caduta di $\sqrt 7 = 2.65$ volte più lungo.
Il problema, sia su Titano sia su Encelado, è, però, il contatto con il liquido, il metano nel caso della patria d'origine di Thanos e l'acqua su Encelado: in entrambi i casi il fluido al cui interno finirebbero gli atleti è a una temperatura estremamente bassa, tra i -180° e i -200°.
Sia i tuffatori, ma a maggior ragione i nuotatori, hanno quindi bisogno di difendersi da queste temperature estreme.

Un costume da supereroi

I nuotatori, in effetti, al di là dei problemi dovuti alla bassa gravità (o delle differenze di densità rispetto all'acqua terrestre - l'acqua su Encelado, per essere liquida a quelle temperature, deve essere particolarmente salata, e quindi più densa anche dell'acqua dei nostri mari), hanno un contatto molto più prolungato con l'acqua, proprio come i giocatori di pallanuoto. Questo vuol dire che il costume integrale, che è a volte utilizzato anche degli uomini per motivi squisitamente di riduzione dell'attrito, sarebbe una necessità sia su Titano sia su Encelado.
Per realizzare un costume di questo genere è, dunque, necessario l'uso di un materiale in grado di isolare termicamente l'atleta ma sufficientemente flessibile da permettergli di nuotare. Un ottimo materiale che permette un buon isolamento termico è l'aerogel. Creato nel 1931 dall'ingegnere-chimico Steven Kistler, è sostanzialmente una schiuma, costituita da una miscela di un gas (tipicamente aria) e di un solido (il silice). Risulta mille volte meno denso del vetro, tre volte più pesante dell'aria, sopporta altissime temperature, come quelle dei geyser di Encelado, ed è, come detto, un ottimo isolante termico. Unendolo con dei polimeri diventa più forte e traslucido, e potrebbe in linea di principio essere utilizzato per realizzare un costume flessibile, resistente e in grado di isolare un nuotatore, o un supereroe, dalle condizioni estreme che si trovano su Titano o su Encelado. Un'alternativa ai polimeri possono essere i materiali ceramici, ma in generale l'idea è quella di unire materiali differenti in modo da ottenere le differenti proprietà desiderate da un costume come quello di un nuotatore cosmico. O di un supereroe!

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Per la parte dedicata ai costumi dei supereroi suggerisco The Science of Super Suits di S Kundu su The Secret Science of Superheroes.