Il menù dello scienziato - Tesina per Liceo scientifico

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La fisica in casa

“La nostra casa è un vero e proprio laboratorio di fisica, dove meccanica, termodinamica, elettromagnetismo e fisica moderna si danno quotidianamente appuntamento e dove ogni nostra azione, anche la più semplice, può essere studiata come un vero e proprio esperimento”

(da “La fisica in casa” di Emiliano Ricci).

Introduzione

Ho scelto questo argomento perché mi permette di coniugare la mia passione per la cucina con l’interesse che ho per la fisica. È curioso, e allo stesso tempo molto interessante, il fatto che concetti di fisica si ritrovino in alimenti e in azioni quotidiane, per esempio cuocere un uovo o la pasta, oppure preparare una tazza di caffè. La cucina diventa un laboratorio vero e proprio, in cui si possono osservare e riprodurre fenomeni fisici, si applicano le leggi che li determinano e se ne sfruttano le applicazioni tecnologiche.

Il mio lavoro si presenta come un menù, ma molto diverso da quelli che siamo abituati a trovare nei ristoranti o nelle pizzerie, perché in corrispondenza a ogni piatto illustro i fenomeni fisici che si verificano.

Ora vi lascio assaporare il menù!

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Antipasto: uova primavera

Da cosa dipende il tempo necessario per cuocere un uovo nell’acqua fino a farlo diventare sodo?

Perché l’uovo diventi sodo, il tuorlo deve raggiungere una temperatura di 70 °C. Quando si cuoce l’uovo, l’unico modo di aumentare la temperatura del tuorlo è per conduzione dell’energia termica ceduta dall’acqua. La velocità di conduzione dipende dalla differenza di temperatura tra l’acqua e l’interno dell’uovo: se l’uovo viene immerso in acqua a temperatura ambiente riscaldata poco alla volta fino al punto di ebollizione, il tempo di cottura è di circa 10 minuti. Il tempo si riduce se l’uovo viene immerso in acqua bollente, ma in questo caso il guscio si rompe facilmente e il contenuto fuoriesce, espandendosi nell’acqua.

Perché si rompe il guscio?

Il guscio tuttavia si rompe anche se l’uovo immerso nell’acqua bollente è freddo. La frattura è dovuta all’aumento di pressione del gas presente all’interno dell’uovo causata dal suo riscaldamento; se aumenta in fretta, questa pressione può rompere il guscio e si osserva un filo di bollicine di gas che escono dalla frattura. Si può impedire che il guscio si rompa con una cottura più lenta, o aggiungendo un po’ di sale che fa coagulare l’albume appena fuoriuscito sigillando la frattura, o ancora bucando il guscio con un ago, in modo che il gas abbia una via d’uscita e non aumenti la pressione all’interno dell’uovo.

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Perché per cuocere un uovo in montagna serve più tempo?

La maggiore altitudine ha l’effetto di rendere più facile l’abbandono della superficie da parte delle molecole d’acqua; cioè la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuisce. A temperatura ambiente le molecole d’acqua in superficie sono trattenute da reciproche forze attrattive non troppo intense; se la temperatura dell’acqua aumenta, quelle molecole hanno più energia termica (ovvero si muovono con più energia) e alcune riescono a liberarsi dalla presa delle forze attrattive, lasciando la superficie. Alcune molecole liberate si scontrano con molecole d’aria e finiscono per ricadere nella massa liquida, ma al punto di ebollizione dell’acqua le molecole che sfuggono sono molte di più di quelle che ricadono nell’acqua.

In montagna diminuisce la densità delle molecole dell’aria che si trovano sopra l’acqua, quindi anche la probabilità che le molecole d’acqua sfuggite al liquido si scontrino con molecole d’aria e ripiombino nella massa liquida; ora lo squilibrio fra le molecole perse dall’acqua e quelle che tornano indietro si verifica a una temperatura più bassa rispetto alle altitudini minori. Quindi il punto di ebollizione dell’acqua si abbassa al crescere dell’altitudine; di conseguenza la velocità di conduzione dell’energia termica nell’uovo è minore, e ci vuole più tempo perché l’uovo diventi sodo.

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Primo piatto: spaghetti alla carbonara

L’Italia è il principale paese al mondo per produzione, consumi, struttura produttiva ed esportazione nell’industria della pastificazione. La pasta italiana è infatti considerata la migliore in assoluto sia per il tipo di cultura, legata fortemente a valori storici e di radicata tradizione, sia per l’ottima selezione degli ingredienti base, ossia delle semole che vengono prodotte miscelando sapientemente i grani duri delle migliori qualità. Nonostante molte persone conoscano gli spaghetti e gli hanno già cucinati, pochi si sono soffermati a meditare i processi fisici coinvolti in queste nostre azioni. Per esempio, perché occorre un preciso intervallo di tempo per ottenere un adeguato livello di cottura? Perché questo tempo è diverso da un tipo di pasta ad un altro? Perché gli spaghetti non si rompono mai in due soli pezzi quando vengono piegati oltre un certo raggio di curvatura ma si frantumano invece in almeno tre frammenti?

Questi interrogativi hanno stimolato l’interesse di molti ricercatori e ora cercherò di descrivere la fisica del processo di cottura.

Perché occorre un preciso intervallo di tempo per ottenere un adeguato livello di cottura?

Nella farina di grano le molecole di amido si trovano raggruppate a formare granuli di 10-30 micron di diametro, mescolati con varie proteine. Due di queste proteine, la gladina e la glutenina, quando entrano in contatto con l’acqua, si combinano insieme e formano una maglia elastica e impermeabile che racchiude a sé i granuli di amido: il glutine. La cottura quindi dipende proprio dalla capacità dei granuli di amido di assorbire l’acqua che, nella pentola, inizia a infiltrarsi nella maglia di glutine fino a raggiungere l’interno degli spaghetti. Nel frattempo le molecole di amido, alla temperatura di 70 °C,

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si combinano a formare un composto simile ad un gel che trattiene l’acqua. Per esempio la cottura al dente si raggiunge nel momento in cui le molecole di amido, trasformate in gel, hanno assorbito una quantità d’acqua minima necessaria per rendere lo spaghetto tenero.

Andrei Varlamov, un fisico russo, studiando la cottura della pasta ha scoperto una formula fisica per trovare il tempo di cottura degli spaghetti:

t = ar² + b

dove:

• t = tempo di cottura
• a = tipo di pasta (grano duro, grano tenero, all’uovo, ecc..)
• r = raggio dello spaghetto
• b = coefficiente che rappresenta il livello di cottura che desideriamo (ben cotta o al dente)

Prendiamo in considerazione la seguente tabella:

Usando il “metodo dei minimi quadrati”, ovvero una tecnica di ottimizzazione che permette di trovare una funzione, detta curva di regressione, che si avvicini il più possibile ad un insieme di dati, sono riuscita a calcolarmi i coefficienti a e b. I loro valori sono: a = 3.363 min/mm e b = -1.75 min.

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Il coefficiente b è negativo poiché il consumatore preferisce un tipo di pasta al dente. Adesso posso andare a verificare i tempi di cottura utilizzando i valori trovati.

Con questi dati sono riuscita a fare il seguente grafico:

Dal grafico e dai dati ottenuti possiamo notare come il tempo di cottura sperimentale coincida con il tempo di cottura teorico.