Fluidi e relative leggi, Dispense di Fisica

Scarica Fluidi e relative leggi e più Dispense in PDF di Fisica solo su Docsity! a. Equilibrio di un fluido b. Pressione c. Pressione atmosferica d. Principio di Pascal e. Legge di Stevino f. Principio di Archimede Fluidi Ricordiamo brevemente la principale differenza tra solidi, liquidi e gas. Una sostanza è solida se conserva forma e volume propri; per studiare le sostanze solide si utilizza di solito il modello del corpo rigido. Una sostanza è liquida se assume la forma del recipiente che la contiene, mantenendo però proprio volume. Una sostanza è gas (o aeriforme) se occupa tutto il volume disponibile nel recipiente che la contiene. In fisica, quando parliamo di fluidi, ci riferiamo a sostanze che possono scorrere da un punto all’altro e non hanno una forma propria, ma assumono quella del recipiente che le contiene. I fluidi comprendono quindi sia liquidi sia i gas. Pressione Quando premiamo un bottone o un tasto della tastiera del computer, esercitiamo una pressione. Potremmo pensare di aver semplicemente esercitato una forza sul bottone o sul tasto, ma dobbiamo tenere conto che questa forza è distribuita su un’area. Infatti, quando schiacciamo un bottone, la punta del nostro dito tocca il bottone in una piccola, ma definita superficie. La pressione è una misura della forza esercitata sull’unità di area. La pressione P è definita come il rapporto fra l’intensità della forza premente sulla superficie (ovvero la componente perpendicolare della forza che agisce su una superficie) e l’area A della superficie. 1 V Modulo La pressione è quindi una grandezza scalare che si misura in Pascal, in onore del fisico francese Blaise Pascal (1623-1662). Per misurare la pressione nei liquidi si usa il manometro, mentre per misurare la pressione atmosferica si usa il barometro. La pressione è direttamente proporzionale alla forza e inversamente proporzionale all’area, quindi la pressione aumenta se aumenta la forza esercitata su una data area o se una data forza viene applicata su un’area minore. Esempio: Se premiamo con un dito su un palloncino non otteniamo grandi effetti e notiamo solo una piccola deformazione; se invece premiamo con uno spillo con la stessa forza, il palloncino scoppierà. La differenza sta nel fatto che la stessa forza applicata su un’area più piccola determina una pressione abbastanza grande da rompere il pallone. La pressione atmosferica Siamo tutti abituati a vivere “sotto pressione” come diretta conseguenza del peso dell’aria che agisce sopra di noi. L’aria forma intorno alla Terra uno strato spesso qualche centinaio di kilometri, l’atmosfera, la cui densità diminuisce con l’altitudine. A causa del suo peso l’atmosfera esercita su qualsiasi oggetto una pressione, detta pressione atmosferica e nel Sistema Internazionale ha il seguente valore . Esempio: Quante volte si è cercato si svitare con le mani il tappo di un barattolo senza riuscirci? La chiusura ermetica è garantita dalla parziale eliminazione dell’aria all’interno del barattolo, che rende la pressione interna inferiore alla pressione atmosferica esterna. Se si fa leva sul tappo lasciando entrare un po’ di aria si riduce la differenza di pressione tra interno ed esterno. Esempio: È la pressione atmosferica che ci consente di bere una bibita con una cannuccia. Infatti, quando la cannuccia è nel liquido, la pressione atmosferica spinge verso il basso nella parte vuota della cannuccia e verso l’alto dall’interno del liquido. Se aspiriamo, riduciamo la pressione verso il basso e, la pressione verso l’alto, che resta uguale, spinge la bibita in bocca. Esempio: Il fenomeno delle "orecchie tappate" è una sensazione che si prova quando la pressione atmosferica all’interno dell’orecchio è diversa da quella dell'ambiente esterno. Infatti la sottile membrana del timpano (è lei che ci permette di udire) è sensibile alle variazioni di pressione. Quando l’aereo sale di quota, al decollo, la pressione in cabina diminuisce, mentre l'aria che c'è nell’orecchio ha una pressione maggiore (perché resta uguale a quella che c’era “a terra”). Perciò, quest'aria “spinge” sul timpano dall'interno verso l'esterno e sembra che l'orecchio si tappi. Per eliminare questo fastidio è necessario far uscire l’aria (attraverso la tromba di Eustachio, il canale che mette in comunicazione l’orecchio con la gola) e riequilibrare la pressione interna ed esterna. Come? Basta deglutire o sbadigliare. Al contrario, quando l’aereo scende di quota per 2 Legge di Stevin La pressione a una certa profondità h dalla superficie libera (cioè la superficie non a contatto con il recipiente) è data dalla somma della pressione atmosferica e di una quantità proporzionale ad h e alla densità d del fluido ph = dgh+ patm La legge di Stevin vale indipendentemente dalla forma del recipiente che contiene il fluido, a condizione che la densità del fluido sia la stessa in tutto il volume occupato. Perciò vale per tutti i liquidi che sono incomprimibili, ma non per i gas. Esempio: …come mai un sub non viene “schiacciato” dalla pressione dovuta al peso della colonna d’acqua???  Riprendiamo il Principio di Pascal:” La pressione esercitata su un fluido si distribuisce uniformemente su tutto il fluido, in tutte le direzioni e con uguale intensità;  In immersione, così come sula terraferma, non saremmo sottoposti ad una pressione puntiforme, ma fasciati, in maniera uniforme, dal fluido che ci avvolge;  L’organismo umano è costituito da liquidi per quasi l’80% e, essendo tali liquidi incomprimibili, non subiscono gli effetti della pressione. Per il restante 20% costituito da cavità toracica e vie aeree superiori notiamo che, quando ci troviamo sulla terra ferma le nostre cavità aeree contengono aria alla stessa pressione di quella esterna, per cui il nostro organismo è in perfetto equilibrio. scendendo con l'autorespiratore, l’erogatore, collegato alle bombole che contengono l’aria, provvederà a fornircela alla stessa pressione dell’ambiente circostante. Vasi comunicanti La legge di Stevino permette di stabilire come si dispongono, all’equilibrio, i liquidi contenuti in vasi comunicanti, cioè in recipienti di forma qualsiasi messi in comunicazione tramite tubi. I due rami di un tubo ad U sono due vasi comunicanti: immaginiamo di versare nel tubo un primo liquido densità d1 e poi un secondo liquido di densità d2 non miscibile con il primo. I due liquidi 5 raggiungeranno le altezze h1 e h2 dal livello della superficie di separazione S. Che relazione c’è tra le due altezze? Legge dei vasi comunicanti All’equilibrio, due liquidi non miscibili contenuti in due vasi comunicanti raggiungono, rispetto alla loro superficie di separazione, due altezze h1 e h2 legate rispettivamente alle rispettive densità d1 e d2 in modo inversamente proporzionale, ovvero vale la seguente relazione: d1 : d2 =h2 : h1 e si può affermare che: Dati più recipienti, anche di forma diversa, comunicanti fra loro, un liquido versato in uno di essi raggiunge lo stesso livello in tutti i recipienti ovvero h1 = h2 per cui l’altezza del liquido è identica in entrambi i recipienti. Il galleggiamento dei corpi Perché alcuni corpi in acqua affondano mentre altri galleggiano? In un contenitore con acqua Il palloncino è in equilibrio: La forza equilibrante è data dalla immergiamo un palloncino la forza peso è controbilanciata somma di tutte le forze di superficie con acqua e chiuso in modo da una forza di uguale intensità dovute all’acqua circostante che agiscono da non inglobare aria e verso opposto sul palloncino L’acqua esercita sul palloncino immerso una forza verso l’alto, chiamata spinta di Archimede. Poiché il palloncino è in equilibrio, questa forza è uguale in modulo al peso dell’acqua che sta dentro il palloncino. La spinta di Archimede è quindi uguale al peso dell’acqua che il palloncino ha spostato una volta immerso Principio di Archimede Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto di intensità pari al peso di liquido spostato FA = dliquido ∙ g∙ Vimmerso (N) 6 Il galleggiamento dei corpi Se la densità del corpo è uguale alla densità del fluido, la spinta di Archimede uguaglia la forza peso e il corpo rimane sospeso nel fluido (equilibrio idrostatico). Se la densità del corpo è maggiore della densità del fluido, la spinta di Archimede è minore della forza peso e il corpo va a fondo. Se la densità del corpo è minore della densità del fluido, la spinta di Archimede è maggiore della forza peso e il corpo sale a galla. 7