La pressione e la densità dei fluidi: cosa sono
In questa lezione capirai come definire le principali proprietà che caratterizzano i fluidi nel loro stato di quiete, imparerai inoltre come esse sono legate e come fluidi con diverse caratteristiche interagiscono tra loro.
Nell’ambito della meccanica dei fluidi, la pressione e la densità sono due concetti fondamentali che giocano un ruolo chiave nella determinazione del comportamento dei fluidi. Siano essi liquidi o gas, questi due parametri sono essenziali per comprendere come i fluidi si muovono, interagiscono con le superfici solide e rispondono alle variazioni di temperatura e pressione. Scopriamoli insieme in questo articolo!
I fluidi: cosa sono
Anche nella vita di tutti i giorni abbiamo a che fare con i fluidi e con le loro proprietà. Quando apriamo una bottiglietta di acqua frizzante e notiamo il gas fuoriuscire dal tappo abbiamo in realtà aperto un contenitore che si trovava in pressione, forzando quest’ultima ad abbassarsi fino al valore della pressione atmosferica.
Quando la mattina ci laviamo i denti e premiamo sul tubetto del dentifricio stiamo in realtà incrementando la pressione del fluido contenuto al suo interno, così da portarlo a fuoriuscire dalla confezione. Quando uniamo tra di loro più ingredienti liquidi per una ricetta e non li vediamo miscelarsi fino a quando non siamo noi a mescolare, stiamo in realtà osservando l’effetto di densità diverse di fluidi posti nello stesso contenitore. Gli esempi pratici possono essere molteplici e sono tutti strettamente legati al concetto di pressione e densità dei fluidi.
Con il termine fluidi si intende una qualsiasi sostanza che si trova allo stato liquido oppure gassoso. In generale infatti, liquidi e gas hanno proprietà molto simili e si comportano in modo analogo quando sottoposti a stati di sforzo. Per questo motivo vengono generalmente distinti dai solidi e uniti al di sotto della stessa categoria: i fluidi.
Tra di essi esiste una sotto-categoria che è più semplice da studiare rispetto alle altre e che è rappresentata da quei fluidi detti incomprimibili, per i quali la densità non cambia mai. In questo capitolo ci occuperemo principalmente di questo gruppo.
Nella fisica, l’analisi dei fluidi si concentra sulle leggi del movimento e sulle interazioni tra fluidi e superfici solide. Questo studio è noto come meccanica dei fluidi e ha applicazioni in una vasta gamma di campi, tra cui ingegneria, meteorologia, medicina, e ecologia.
La densità dei fluidi: come possiamo definirla
La densità è una misura della quantità di massa contenuta in un determinato volume di un fluido. In altre parole, descrive quanto è “pesante" un fluido in un dato spazio, ed è solitamente misurata in chilogrammi per metro cubo (kg/m³). La densità gioca un ruolo cruciale nel determinare come i fluidi fluiscono e reagiscono alle forze esterne, influenzando fenomeni come la galleggiabilità e il flusso laminare. La comprensione della densità è fondamentale in molte applicazioni, come la progettazione di navi, la previsione del tempo, e l’analisi delle correnti oceaniche.
La densità di una sostanza esprime in generale il rapporto tra la sua massa ed il suo volume. Essa può quindi essere descritta dalla seguente relazione:
£$\rho = \frac{m}{V}$£
In altre parole la densità è indice di quanto una sostanza “pesa" di più rispetto ad un’altra, a parità di volume occupato. Fluidi diversi avranno densità diverse e dunque interagiranno tra di loro in funzione di questa differenza. Prova ad esempio a fare un classico esperimento: riempi mezzo bicchiere di acqua e versa successivamente un filo di olio. L’olio si disporrà nella parte superiore del bicchiere, restando separato dall’acqua sottostante. Questo succede poiché la densità dell’olio è inferiore a quella dell’acqua, di conseguenza il primo non affonderà nel secondo, bensì si disporrà in modo da formare uno strato nella parte superiore del bicchiere, essendo più leggero.
La pressione dei fluidi: cos’è
La pressione viene descritta come una forza esercitata su una superficie. La pressione di un fluido può essere espressa in diverse unità di misura, come vedremo più avanti. Essa può inoltre essere riferita al vuoto (pressione assoluta) oppure alla pressione atmosferica (pressione relativa).
La pressione è una misura della forza esercitata da un fluido su una superficie per unità di area. Può essere pensata come l’intensità del “colpo" che il fluido dà su una superficie, ed è spesso misurata in Pascal (Pa) o atmosfere (atm). In un fluido, la pressione può variare con la profondità, la posizione e altri fattori, e la sua conoscenza è vitale per progettare sistemi come impianti idraulici, aerei, e apparecchiature subacquee.
Così come per la densità, anche il concetto di pressione di un fluido ci è in realtà molto familiare e abbiamo modo di osservarne le implicazioni ogni giorno. Pensa ad esempio ad una fontana: l’acqua è in grado di zampillare più in alto a seconda della pressione che le viene fornita.