Statica dei fluidi

Sia  i liquidi che i gas sono costituiti da molecole che non sono legate a posizioni fisse (come avviene invece nei solidi), ma hanno una certa libertà di movimento:

• nei liquidi le particelle sono in grado di scorrere le une rispetto alle altre;
• nei gas le particelle si muovono in tutte le direzioni. 

Per questo sia liquidi che gli aeriformi sono chiamati fluidi.

I  gas  si possono comprimere mentre i liquidi non si possono comprimere.

Per verificare questa affermazione prendiamo una siringa senza ago e aspiriamo dell’acqua. 

Chiudiamo il beccuccio con un dito e spingiamo lo stantuffo.

Vediamo che lo stantuffo non si muove perché lo spazio è occupato dall’acqua.

Questo accade perché i liquidi sono praticamente incomprimibili.

Ripetiamo l’esperimento senz’acqua, ma  con la siringa piena d’aria. 

Chiudiamo il beccuccio con un dito e spingiamo lo stantuffo.

Questo scorre nella siringa poi si ferma e il  volume  dell’aria  diminuisce perché i gas si possono comprimere.  

Il Principio di Pascal, dallo scienziato francese Blaise Pascal (1623-1662), afferma che: 

“la pressione esercitata su una superficie qualsiasi di un liquido si trasmette in ogni punto del liquido e agisce su ogni superficie a contatto con questo con la stessa intensità in tutte le direzioni”.

Procuriamoci una bottiglia di plastica vuota con il tappo. 

Deformiamo  la  bottiglia nella parte superiore e  riempiamola  d’acqua. Infine chiudiamo  il  tappo.

Schiacciando  la  bottiglia  nella  parte  inferiore osserveremo che riprenderà la sua forma originaria. 

Questo avviene perché esercitiamo sull’acqua una forza che si trasmette a tutto il liquido contenuto nella bottiglia. Tale forza esercita una pressione perpendicolare alla parete del recipiente che elimina la deformazione. 

Se prendiamo un palloncino e creiamo dei piccoli forellini e lo riempiamo d’acqua, premendolo vedremo che l’acqua uscirà dai forellini in ugual modo proprio perché la pressione nei fluidi si distribuisce uniformemente.

Dagli esperimenti di Pascal si evince che:

• La pressione esercitata su un liquido si trasmette a tutti i suoi punti;
• La pressione all’interno di un liquido ha la stessa intensità in tutte le direzioni.

Il principio di Archimede, dal nome del matematico e filosofo greco Archimede vissuto nel III secolo a.C, afferma che:

“Un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato”.

Su un corpo immerso in un liquido si esercita una forza diretta verso l’alto detta spinta idrostatica o spinta di Archimede.

Il peso di un oggetto immerso diminuisce perché essendo diretto verso il basso viene contrastato dalla spinta di Archimede diretta verso l’alto. 

Inoltre esiste una relazione tra la spinta verso l’alto che il corpo riceve e il peso del fluido che sposta.

Questo principio è facilmente verificabile utilizzando una bilancia a bracci e due oggetti uguali (stesso peso, stessa forma e stessa densità).

Appoggiamo i due oggetti sui due bracci della bilancia, ma uno lo immergiamo in una bacinella piena di acqua, grande abbastanza da contenerlo.

Vedremo che la bilancia penderà dalla parte dell’oggetto non immerso, in quanto sottoposta alla spinta idrostatica di Archimede.

Il  principio  di  Archimede  è  valido  anche  per  gli  aeriformi.

“un corpo immerso nell’aria riceve una spinta verso l’alto pari al peso dell’aria spostata”.

Mediamente la densità dell’aria è 1,2 kg/m3 quindi la spinta aerostatica è molto piccola.

Salgono in aria i corpi che hanno densità minore di quella dell’aria (ovvero <1,2 kg/m3). 

Ad esempio se gonfiamo un palloncino con l’elio che ha densità pari a 0,1785 kg/m3 e lo liberiamo questo vola verso l’alto perché 0,1785 kg/m3<1,2 kg/m3 .

Anche le mongolfiere e i dirigibili vengono riempiti con gas meno densi dell’aria così da ricevere una spinta aerostatica che gli permette di salire in cielo e galleggiare in aria.

Proviamo a prendere un recipiente pieno d’acqua e inserirvi degli oggetti di diversa densità. Affondano o galleggiano?

• Un corpo immerso in un liquido GALLEGGIA se la sua densità è MINORE della densità del liquido.
  Questo avviene nel caso del sughero (d =0,24 g/cm3) che è meno denso dell’acqua (d =1 g/cm3);
• Un corpo immerso in un liquido AFFONDA se la sua densità è MAGGIORE della densità del liquido.
  Questo avviene nel caso del ferro (d =7,874 g/cm3) che è più denso dell’acqua (d =1 g/cm3);
• Un corpo immerso in un liquido NON GALLEGGIA e NON AFFONDA se la sua densità è UGUALE a quella del liquido.

Il galleggiamento di un oggetto dipende anche dalla forma del corpo infatti:

•  maggiore è il volume di acqua spostata, maggiore è la spinta di Archimede.