Il liquido che sale dove nessuno lo spinge
Immergere un tubo di vetro sottile in un bicchiere d’acqua e vedere l’acqua salire dentro il tubo, fino a un livello più alto di quello del bicchiere, è il modo più corto per vedere la capillarità. Nessuna pompa e nessuna pressione applicata: il liquido si muove da solo, e si ferma quando il peso della colonna sollevata pareggia la forza che la tiene su.
Quella forza nasce dal confronto fra due attrazioni. Le molecole del liquido si attirano fra loro, ed è la coesione, quella che tiene insieme una goccia e produce la tensione superficiale. Le stesse molecole sono attirate anche dalla parete solida, ed è l’adesione. Dove l’adesione ha la meglio il liquido si arrampica sulla parete, la superficie libera si incurva verso l’alto in un menisco concavo e la tensione superficiale, che agisce lungo tutto il bordo, tira su la colonna. Dove ha la meglio la coesione succede l’opposto: il menisco è convesso e il livello dentro il tubo scende sotto quello esterno, come fa il mercurio nel vetro.
La legge di Jurin dice quanto sale
L’altezza raggiunta si calcola. È proporzionale alla tensione superficiale del liquido e al coseno dell’angolo di contatto, ed è inversamente proporzionale alla densità del liquido e al raggio del canale. È la legge di Jurin, e la parte che pesa è l’ultima: dimezzando il raggio l’altezza raddoppia.
Con numeri concreti si vede l’ordine di grandezza. La tensione superficiale dell’acqua vale circa 72 millinewton per metro a temperatura ambiente, e messa nel conto insieme al raggio dà cifre facili da ricordare: in un tubo di vetro pulito largo un decimo di millimetro di raggio il liquido sale attorno ai quindici centimetri, e in un canale dieci volte più stretto salirebbe dieci volte tanto. Il segno dipende dall’angolo di contatto: sotto i novanta gradi il coseno è positivo e il liquido sale, sopra i novanta è negativo e il liquido scende sotto il livello esterno. Il fenomeno non appartiene quindi né al liquido né al solido, ma a quello che succede fra i due dentro uno spazio abbastanza stretto.
Va aggiunto che qui la legge dei vasi comunicanti non si applica. In un tubo capillare la superficie del liquido non resta piana e il livello non si allinea a quello degli altri rami: il comportamento capillare prevale sulla semplice idrostatica.
Nei tessili la capillarità corre fra le fibre
Su un tessuto il canale sottile non è la fibra. Una fibra è piena: dentro non ci va niente. Quello che si comporta da tubo è l’interstizio fra due fibre affiancate, e la rete continua di interstizi che l’intreccio lascia aperta. Il liquido cammina in quegli spazi, e la distanza che percorre dipende da quanto sono stretti e da quanto sono collegati fra loro.
Ne discendono due conseguenze poco intuitive. La prima è che si può sbagliare per eccesso in tutti e due i sensi: un tessuto troppo rado non offre canali abbastanza stretti, uno troppo serrato non lascia spazio al liquido, e in mezzo c’è la densità in cui il fenomeno lavora meglio. La seconda è che anche fibre poco affini con l’acqua muovono liquido, se la geometria è quella giusta, mentre fibre affinissime disposte male non ne muovono affatto.
Poi c’è la direzione. In un filato ritorto i canali corrono lungo il filo, quindi il liquido viaggia più in fretta nel verso del filo che di traverso. In un tessuto non tessuto le fibre pendono in maggioranza verso il senso di marcia della macchina, e la macchia che si allarga su un velo non è un cerchio ma un’ellisse.
Come si misura la capillarità di un materiale
Il metodo più diretto è la prova di risalita: una striscia di tessuto pende in verticale con l’estremità immersa nel liquido, e si legge l’altezza raggiunta dal fronte bagnato dopo tempi stabiliti. È l’impostazione della norma tedesca DIN 53924, dedicata alla velocità di assorbimento dell’acqua dei tessili con il metodo dell’altezza di risalita.
Sui tessuti non tessuti il riferimento è la ISO 9073-6, che raccoglie tre misure distinte: il tempo che il campione impiega ad assorbire, la quantità di liquido che trattiene e la velocità con cui il liquido avanza, e quest’ultima la norma la chiama proprio capillarità. Il metodo non si applica ai materiali che contengono superassorbenti, perché lì il liquido viene fermato e la lettura perde significato. Fuori dal tessile lo stesso concetto ha misure proprie: la UNI EN 15801, per esempio, definisce come si determina l’assorbimento d’acqua per capillarità dei materiali inorganici porosi nei beni culturali.
In ogni caso il numero senza le condizioni non dice niente: cambiano il liquido, la temperatura, la lunghezza libera del campione e il tempo di lettura, e cambia il risultato.
Capillarità, bagnabilità e assorbimento
Sono tre gradini dello stesso fatto e vengono spesso confusi. La bagnabilità, cioè l’affinità della superficie con il liquido, è la condizione di partenza: senza di quella il liquido non entra nemmeno. La capillarità è quello che la geometria fa con quella condizione, e riguarda dove il liquido arriva e in quanto tempo. L’assorbimento è il conto finale, cioè quanto liquido resta nel materiale a fine giro.
I tre valori si muovono in modo indipendente. Una pellicola liscia e affine con l’acqua si bagna e non trasporta niente, perché non ha canali. Un materiale molto poroso può avere una risalita rapidissima e una ritenzione modesta, se i vuoti sono grandi e il liquido, appena si inclina il campione, se ne torna giù.
Nel filo da sutura la capillarità è un difetto
Nella letteratura chirurgica la capillarità compare fra le proprietà con cui si descrive un filo, ed è l’unica che si preferisce vedere azzerata. Un filo intrecciato mette insieme una quantità di filamenti sottilissimi, e fra l’uno e l’altro restano interstizi: sono canali continui che corrono per tutta la lunghezza del filo, e il liquido dei tessuti li percorre. Un monofilamento non ha interstizi, quindi non ha capillarità, e nella classificazione dei materiali da sutura viene indicato come non capillare.
Su questo lavora il rivestimento, di silicone o di politetrafluoroetilene, che i fili intrecciati portano quasi sempre: riempie i vuoti fra i filamenti e riduce il tragitto disponibile al liquido, oltre a rendere il filo più scorrevole nel passaggio.
Il rovesciamento è quello che rende il termine interessante. Lo stesso fenomeno che si cerca di eliminare da un filo si costruisce apposta dentro una medicazione, dove il compito richiesto al materiale è muovere il liquido lontano dalla superficie di contatto e distribuirlo nello spessore invece di lasciarlo dov’è. La fisica è identica in tutti e due i casi: cambia soltanto dove si vuole che il liquido vada a finire.
