Statica dei fluidi: cos'è e quali sono le caratteristiche

La statica dei fluidi è un ramo della fisica che studia i fluidi in condizione di quiete o di movimento nullo. A differenza della dinamica dei fluidi, che si occupa dei fluidi in movimento, la statica dei fluidi si concentra sulle forze, le pressioni e gli equilibri che si stabiliscono all’interno di un fluido fermo o tra un fluido e le superfici con cui viene a contatto. I fluidi, che includono sia i liquidi che i gas, hanno la caratteristica unica di adattarsi alla forma del contenitore che li ospita e di esercitare una pressione uniforme in tutte le direzioni su ogni punto del contenitore stesso.

Uno dei concetti fondamentali in statica dei fluidi è la pressione, che è definita come la forza esercitata per unità di area. In un fluido fermo, la pressione a una certa profondità dipende non solo dalla forza gravitazionale ma anche dalla densità del fluido e dalla profondità stessa sotto la superficie del fluido. Questo principio è ben illustrato dalla legge di Stevino, che afferma che la pressione in un punto all’interno di un fluido in quiete aumenta proporzionalmente con la profondità a causa del peso del fluido sovrastante.

Un’altra pietra miliare della statica dei fluidi è il principio di Pascal, che sostiene che la pressione applicata a un fluido confinato si trasmette uniformemente in tutte le direzioni attraverso il fluido. Questo principio ha importanti applicazioni pratiche, come nel funzionamento dei freni idraulici e degli ascensori idraulici, dove una piccola forza applicata in un punto produce una forza maggiore in un altro punto, grazie alla trasmissione della pressione attraverso il fluido.

Il principio di Archimede rappresenta un altro concetto chiave, descrivendo come e perché gli oggetti immersi in un fluido esperiscano una spinta verso l’alto, conosciuta come spinta idrostatica. Questa spinta è uguale al peso del volume di fluido spostato dall’oggetto, fornendo una spiegazione al fenomeno del galleggiamento e offrendo una base per comprendere la flottabilità degli oggetti nei fluidi.

Vediamo tutti questi aspetti uno per uno.

• La pressione nei fluidi
• Il principio di Pascal
• Il principio di Archimede
• Il principio di Archimede per gli aeriformi
• Perché un corpo galleggia

La pressione nei 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

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

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 per gli aeriformi

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

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

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.

Perché un corpo galleggia

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.