Articoli Tecnici

Lo studio del comportamento dell’acqua con
il metodo della “immagine di gocciolamento”
di Wolfram Schwenk

Negli ultimi decenni in numerosi agglomerati urbani dei paesi industriali si è constatato un marcato deterioramento della qualità di molte acque potabili, percepibile anche dai sensi umani, nonostante tutte queste acque vengano classificate come ineccepibili secondo le norme igieniche e quindi come buone. Questa considerazione induce a chiedersi come si possano comprendere e differenziare acque potabili igienicamente ineccepibili anche in quegli aspetti qualitativi che corrispondono alle suddette impressioni dei sensi, completando l’analisi con metodi scientificamente oggettivi. I comuni criteri sull’igiene e i metodi analitici di indagine si interrogano sulle sostanze presenti nell’acqua. Ciò che però dell’acqua percepiamo direttamente e sperimentiamo come sensazione non sono soltanto le sostanze presenti, ma anche e soprattutto come essa si “comporta” globalmente grazie all’azione congiunta di queste sostanze. E’ il comportamento dell’acqua a suscitare l’esperienza di un’acqua fresca di sorgente o di un’acqua morta. L’interrogativo finora ufficialmente trascurato sul comportamento dell’acqua è del tutto legittimo, poiché ricerca una comprensione di livello qualitativo. Chi deve valutare la qualità di un materiale da costruzione ne studia ovviamente nel modo più esatto le parti costitutive e la loro combinazione, ma attribuisce un significato almeno altrettanto alto alla verifica qualitativa tecnologica e fisica del comportamento di tale materiale. Proprietà fondamentali come la capacità di isolamento dal freddo, dall’umidità o dai suoni, la fragilità o l’elasticità, la deformabilità reversibile o irreversibile da carico o da calore tutti esempi della capacità di trasmissione di forze in quanto espressione del comportamento del materiale esaminato sono decisive per la valutazione delle sue qualità e contribuiscono come tessere di un mosaico alla formazione di un quadro d’insieme. Si conoscono numerosi materiali da costruzione con un comportamento uguale o almeno simile, che possono avere una composizione molto diversa, come pure altri materiali che presentano un comportamento differente pur avendo le stesse caratteristiche analitiche, perché le sostanze che li costituiscono sono integrate in un altro contesto. Cosa sappiamo sul comportamento dell’acqua, il più universale materiale di costruzione e di attività degli organismi viventi? Ci sono aspetti comuni e differenze nel comportamento delle diverse acque potabili. La percezione più elementare che possiamo avere di fronte all’acqua e che colleghiamo nel modo più evidente al suo comportamento, è la sua intima mobilità. L’acqua, come ogni fluido, nei movimenti e nelle figure che in essa si creano temporaneamente, esprime qualcosa di essenziale nel suo comportamento.

FIGURA 1 Come insegnano le esperienze dell’idrodinamica, l’insieme dei fattori esogeni ed endogeni di un sistema ne influenza la dinamica in modo caratteristico.
Le forme peculiari che le correnti liquide assumono sono il prodotto di tutti i fattori di volta in volta presenti. Esse offrono allo sguardo un quadro di insieme della situazione in tutte le sue caratteristiche. Soprattutto nella labile zona di confine tra flusso laminare e flusso turbolento che, per date proprietà del liquido può essere esattamente regolata scegliendo i fattori esogeni appropriati, anche le più piccole variazioni delle proprietà del fluido si esprimono in una variazione dell’immagine dinamica, con accentuazione del flusso laminare indifferenziato. Si rende così evidente che le figure dinamiche create dal movimento del liquido costituiscono un’espressione visibile in immagini delle qualità del liquido stesso: la qualità viene rappresentata attraverso il movimento.
Un procedimento che si basa su queste relazioni per studiare e confrontare la qualità di acque diverse è il metodo della “immagine di gocciolamento” secondo Theodor Schwenk.

FIGURA 2 In questo procedimento l’acqua da esaminare che giace in strato sottile in un recipiente piano di vetro, viene stimolata al movimento da un certo numero di gocce di acqua distillata che vi cadono con regolarità. Le figure dinamiche che si creano nel campione in esame vengono evidenziate con il metodo delle strie (o metodo “Schlieren”) e fotografate (soluzione omogenea del campione con aggiunta di glicerina plasmatrice di strie neutrale e inerte; apparecchiatura ottica secondo Toepler). La taratura degli strumenti per l’esame dell’acqua viene effettuata adeguatamente usando acqua distillata a vapore, di qualità costante.

FIGURA 3 Le figure dinamiche si mantengono quasi immodificate per alcuni secondi, fino alla caduta della goccia seguente. La sequenza delle diverse immagini è piuttosto caratteristica: con la caduta della prima goccia compare una rosetta delineata solo debolmente, i cui elementi esterni simili a foglie sono formati da singoli vortici. Essa si sviluppa poi da una goccia all’altra per la graduale espansione, moltiplicazione e differenziazione di questi vortici. Dopo la ventesima goccia questo sviluppo va scomparendo mentre si rendono visibili nuove strutture lineari di aspetto dendritico che verso la trentesima goccia dominano il carattere dell’immagine. Con le gocce successive, attraverso stadi intermedi diversi, si assiste ad un progressivo dissolvimento delle immagini fino alla comparsa di un disco indifferenziato. Questo tipo normale di sequenza è ben riproducibile se si rispetta il modo di procedere estremamente accurato, caratteristico di questo metodo. Quando altri tipi di acqua vengono messi in movimento in modo analogo, servendosi delle medesime condizioni tecniche di indagine, subentrano le variazioni più diverse. Le immagini ottenute con il metodo della “immagine gocciolamento” da acqua sotterranea naturale, da acqua di sorgente freatica e da acqua di ruscello incontaminata, raccolta in vicinanza della sorgente, appartengono praticamente tutte al tipo normale di cui appaiono come modificazioni riproducibili. Di questo tipo fanno parte inoltre acque delle più diverse origini idrogeologiche e caratteristiche idrochimiche. Solo le acque minerali deviano chiaramente da questo modello fondamentale, ma sempre in modo specifico. Acque cariche per esempio di sostanze estranee (acque di scarico) mostrano immagini dinamiche meno elaborate ed articolate, fino all’estremo del tipo a disco uniforme, che appare allora già dopo poche gocce. Questo è un esempio di equilibrio di fattori spostato dalla presenza di una sostanza di disturbo che produce una modificazione del flusso in senso laminare. Queste acque appaiono molto poco mobili. Servendosi di misurazioni tecniche si può dimostrare come ai diversi tipi di immagine contribuiscano sostanzialmente i tre parametri fisici della tensione di superficie, della viscosità e della densità, sia presi singolarmente che nel loro insieme. Ma se si diluisce l’acqua da esaminare oltre un certo limite, la distinzione tra i diversi campioni in base alla misurazione di questi tre fattori diventa impossibile, mentre con il metodo della “immagine di gocciolamento” le variazioni di configurazione tra un campione e l’altro sono ancora identificabili fino a diluizioni superiori ad alcune potenze decimali.

FIGURA 4  In base alle esperienze fatte finora nel l’esame delle acque potabili con il metodo della “immagine gocciolamento”, non appaiono figure dinamiche specifiche di determinate sostanze. Questo metodo non si mette quindi in concorrenza con le analisi delle acque potabili, ma può solo completarla. Come procedimento di indagine dà buoni risultati, per esempio, in casi limite, dove può assumersi la funzione di un indicatore di fattori addizionali. La figura 6 mostra l’immagine ottenuta dall’acqua potabile di una grande città della Germania Occidentale, giudicata cattiva dalla popolazione, in cui solo recentemente l’ufficio d’igiene locale ha accertato la presenza di sostanze indesiderate grazie all’ampliamento del suo programma di analisi. L’immagine di questo esempio, già in base all’estrema debolezza di configurazione delle forme dinamiche rispetto all’acqua di sorgente, rivela che qui ci sono dei disturbi e questo al primo sguardo, senza ricorrere a particolari ampliamenti del programma di analisi. Le possibilità di differenziazione offerte dal metodo della “immagine di gocciolamento” spaziano dagli esempi citati fino all’accertamento di sottili differenze, per esempio nell’acqua potabile rimasta stagnante nelle tubature per alcune ore e in quella defluita per la stessa tubazione per alcuni minuti. Questo metodo permette anche di differenziare chiaramente l’acqua dei giorni festivi da quella dei giorni in una grossa città, dove nei giorni festivi l’acqua freatica naturale è sufficiente all’approvvigionamento, mentre nei giorni lavorativi, a causa del fabbisogno supplementare per l’industria, deve venire integrata mescolandovi il “filtrato di sponda” di un fiume ricco di scarichi, attraverso un sistema di collegamento. Tali esempi rendono evidente che l’acqua, anche con questo metodo, viene colta solo nelle caratteristiche presenti al momento del prelevamento del campione e che qui, come nel metodo analitico, devono venire studiati campioni distribuiti in un ampio arco di tempo, per emettere un giudizio realmente valido sull’acqua in un determinato luogo.

FIGURA 5  Le esperienze risultanti da molti studi sulla dinamica delle acque potabili insegnano, riassumendo, che le sottili qualità dell’acqua avvertite dall’uomo in una percezione sintetica si esprimono in figure dinamiche riproducibili. Il metodo della “immagine di gocciolamento” può quindi servire per una descrizione obiettiva di precise gradazioni di qualità tra diverse acque igienicamente ineccepibili, sulle quali i dati accertati analiticamente non per mettono da soli un giudizio sulle condizioni generali e sulle particolarità di comportamento. Il metodo della “immagine di gocciolamento” può quindi contribuire all’accertamento dei requisiti generali di qualità dell’acqua potabile: secondo le direttive generali della normativa tedesco occidentale (DIN 2000), i requisiti di qualità dell’acqua potabile proveniente dall’approvvigionamento centrale devono “orientarsi sulle proprietà di un’acqua freatica dalle caratteristiche ineccepibili, ottenuta da una profondità sufficiente e da strati adeguatamente filtranti, prelevata da un corso naturale, senza che sia danneggiata in nessun modo”. Quando si entra nei dettagli però le prescrizioni igieniche si limitano a dichiarare quello che non può essere presente nell’acqua potabile o che non devono essere superate determinate concentrazioni. La visualizzazione del comportamento dell’acqua con tutto ciò che essa effettivamente contiene, per esempio attraverso il metodo della “immagine di gocciolamento”, ne può costituire il necessario complemento. Senza questo metodo il prescritto confronto con lo standard resterebbe limitato essenzialmente a fatti concomitanti trascurando l’acqua stessa. L’idoneità del comportamento dinamico dell’acqua per questo confronto diviene particolarmente evidente se si considera che acque freatiche chimicamente molto diverse, che nel loro insieme costituiscono lo standard qualitativo della normativa tedesca, mostrano effettivamente anche nelle loro figure dinamiche con il metodo della “immagine di gocciolamento” un tipo fondamentale comune: in base a????X?l loro comportamento mettono a disposizione uno standard di confronto obiettivamente rappresentabile dell’acqua buona, fresca di sorgente. L’institut fuer Stroemungwissenschaften (Istituto per la ricerca sulla dinamica dei fluidi) intraprese degli studi comparativi sull’acqua potabile di diverse località della Germania occidentale e della Svizzera nordoccidentale. Queste ricerche indicarono che nelle piccole località le acque di conduttura provenienti dal sottosuolo o dalle sorgenti locali, lasciate scorrere per un certo tempo, mostrano complessivamente una buona qualità, paragonabile all’acqua di sorgente. Solo dopo una lunga stagnazione nella rete idrica comparvero talvolta alterazioni qualitative relativamente modeste. In località più grandi e soprattutto in molte città grandi che utilizzano acque di superficie depurate, si poterono sempre accertare, anche nell’acqua corrente di conduttura, delle carenze qualitative. In tali luoghi la qualità dell’acqua di rubinetto venne sempre superata da quella dell’acqua di fonte in costante fluire. Questo fatto dovrebbe costituire un motivo sufficiente per mantenere in esercizio, dove possibile, delle fontane pubbliche ad acqua corrente per le molte persone che evitano di servirsi dell’acqua di rubinetto a scopo alimentare. La consuetudine sempre più diffusa tra i responsabili dell’approvvigionamento idrico tedesco occidentale di dichiarare non potabili tali acque di fontana a scopo puramente precauzionale, per evitare la spesa dei continui controlli igienici, non dovrebbe diffondersi ulteriormente. Il metodo della “immagine di gocciolamento” è stato quindi sviluppato per esaminare il comportamento delle acque potabili, ma può anche essere impiegato per lo studio di altre acque e di soluzioni acquose. Nell’esame delle acque di superficie è impressionante il parallelismo riscontrabile in certe zone tra la ricchezza di forme dell’acqua e la molteplicità di comportamento e grado di organizzazione della biocenosi corrispondente. Inoltre con il metodo della “immagine di gocciolamento” si può vedere come l’acqua risponda globalmente ai singoli passi del procedimento di depurazione che rende potabili le acque di superficie.

FIGURA 6 Le differenziazioni più complesse sono offerte dalle acque curative e minerali. L’esame di acqua di mare e di soluzioni acquose come bevande, succhi, preparazioni farmaceutiche, fluidi corporei, ecc., è possibile, se prima si trova il corrispondente standard di confronto su cui basare il giudizio. L’interpretazione delle immagini ottenute è fondata empiricamente sulla sola esperienza. Non precede per deduzione, ma neppure esclude nuove esperienze per deduzione.

FIGURA 7  Lo studio del comportamento dell’acqua deve a questo procedere empirico l’acquisizione di vedute di tipo nuovo sulle connessioni naturali, indicanti l’intima corrispondenza tra terra e mondo planetario. Le ampie deviazioni statistiche dei risultati della ricerca sui flussi turbolenti sono strettamente connesse con eventi planetari. Se si tiene conto di questo fatto esse possono venire considerevolmente ridotte attraverso una scelta opportunamente calcolata del momento in cui svolgere la ricerca. La necessità di un impiego razionale dei mezzi di ricerca impone quindi allo scienziato che lavora con il metodo della “immagine di gocciolamento” di tenere in considerazione e di applicare tali connessioni planetarie nel lavoro di ogni giorno. Dovrebbe essere ormai complessivamente chiaro che con questa recente scienza che studia il comportamento dell’acqua attraverso il metodo della “immagine di gocciolamento”, si entra in un ambito ampio ed inconsueto, dove ancora molto resta da svelare.
Traduzione di Francesca Lingua

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