Affonda o galleggia - Liceo Varchi
Affonda o galleggia - Liceo Varchi
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Allo stesso livello!<br />
<strong>Affonda</strong> o <strong>galleggia</strong>?<br />
Cominciamo con questa osservazione: se mettiamo un liquido in un recipiente<br />
formato da più tubi comunicanti vediamo che il liquido si dispone in tutti i tubi allo<br />
stesso livello indipendentemente dalla forma e dalla sezione dei tubi.<br />
Sulla superficie “libera” del liquido agisce la pressione atmosferica mentre sul fondo<br />
dei tre tubi agisce la somma della pressione atmosferica e della pressione della<br />
colonna di liquido sovrastante: poiché l’equilibrio di ha quando le colonne di liquido<br />
sono di uguale altezza risulta evidente che la pressione esercitata da un liquido<br />
dipende solo dall’altezza della colonna di liquido sovrastante e non dalla quantità di<br />
liquido (la pressione è definita come forza/superficie e in questo caso la forza è la<br />
forza peso della colonna liquida sovrastante).
L’acqua che non cade<br />
Riempiamo un bicchiere fino all’orlo con dell’acqua e appoggiamo sopra il bicchiere<br />
un cartoncino plasticato (per far sì che non assorba l’acqua). Tenendo premuto il<br />
cartoncino, con l’altra mano capovolgi il bicchiere. Ora lascia la mano che preme il<br />
cartoncino?<br />
Cosa osservi?<br />
Si dovrebbe osservare che l’acqua non va giù.<br />
La ragione è semplice: la pressione esercitata dal basso verso l’alto sul cartoncino è<br />
pari a quella atmosferica, mentre la pressione esercitata dall’alto verso il basso sul<br />
cartoncino è dovuta solo alla colonna di acqua del bicchiere ed è minore.<br />
Perché una colonna di acqua eserciti una pressione uguale a quella atmosferica<br />
dovrebbe essere alta circa 10 metri!
Misuriamo la pressione in un liquido<br />
Per capire meglio i fenomeni osservati misuriamo il valore della pressione in un<br />
liquido a diverse profondità utilizzando uno strumento chiamato “manometro” e<br />
costituito da un tubo ad U graduato contenente un liquido (che è stato colorato in<br />
rosso per vederlo meglio) che da una parte è collegato con un tubo di gomma ad un<br />
cilindro aperto che servirà da sonda.<br />
Quando il cilindro è a contatto con l’aria su entrambi i rami del tubo ad U agisce solo<br />
la pressione atmosferica e il livello del liquido del manometro è lo stesso nei due<br />
rami.<br />
Se però immergiamo il cilindro nel liquido vediamo che si crea un dislivello del<br />
liquido nei due rami del manometro: questo dislivello ci indica la misura della<br />
pressione esercitata dal liquido alla profondità a cui si trova il cilindro-sonda.<br />
Inoltre notiamo che a profondità maggiori si hanno pressioni maggiori, indicate dal<br />
livello del liquido che sale in uno dei due rami del tubo a U.
Cambiando liquido osserveremo pressioni diverse perché la pressione dipende dalla<br />
profondità ma anche dalla densità del liquido considerato: più precisamente la<br />
pressione risulta<br />
p = ρ ⋅ g ⋅ h<br />
dove ρ indica la densità del liquido, g l’accelerazione di gravità e h la profondità.<br />
(questa relazione è nota come legge di Stevino).
Per rendersi conto che la pressione in un liquido aumenta all’aumentare della colonna<br />
di liquido sovrastante possiamo fare anche questo esperimento: prendiamo una<br />
bottiglia di plastica, facciamo dei piccoli fori ad altezze diverse sulla stessa verticale<br />
e poi copriamoli con del nastro adesivo. Riempiamo la bottiglia di acqua colorata (per<br />
vederla meglio) e poi togliamo il nastro adesivo dai forellini…..<br />
L’acqua zampilla in modo diverso dai vari fori: dai fori più in basso, che sono<br />
sovrastati da una colonna più alta di liquido, il liquido fuoriesce con maggior spinta<br />
perché c’è pressione maggiore ed infatti c’è una “gittata” maggiore.<br />
Naturalmente con il passar del tempo gli zampilli diminuiranno gradualmente tutti la<br />
propria gittata…<br />
Inoltre è interessante notare che da fori allo stesso “livello” escono zampilli con la<br />
stessa gittata perché alla stessa profondità c’è la stessa pressione che agisce in tutte le<br />
direzioni nello stesso modo (principio di Pascal).
Attività n°1: la spinta di Archimede<br />
Cosa accade ad un corpo immerso in un liquido?<br />
Perché in un dato liquido alcuni corpi <strong>galleggia</strong>no e altri affondano?<br />
Facciamo questo esperimento.<br />
Misuriamo con un dinamometro il peso di un oggetto (un cilindro pieno + cilindro<br />
uguale ma vuoto) in aria.<br />
.
Immergendo il cilindro pieno nell’acqua vediamo che il dinamometro indica un peso<br />
minore!<br />
La differenza tra il peso in aria e il peso in acqua è chiamata<br />
spinta idrostatica<br />
o spinta di Archimede (dal nome dello studioso greco che per primo la studiò)<br />
e corrisponde proprio al peso di un volume di acqua uguale al volume del corpo<br />
immerso perché se riempiamo di acqua il cilindro vuoto otteniamo di nuovo il peso<br />
iniziale!<br />
Quindi la spinta di Archimede S A dipende dalla densità del liquido in cui il corpo è<br />
immerso e dal volume immerso: possiamo infatti scrivere che risulta<br />
S = δ ⋅ g ⋅V<br />
A<br />
L<br />
Prova a ripetere l’esperimento utilizzando un corpo di forma irregolare: in questo<br />
caso puoi determinare il suo volume immergendolo in un recipiente graduato pieno<br />
d’acqua e osservando di quanto di innalza il livello dell’acqua (questo metodo si<br />
chiama misura del volume per spostamento di liquido)….<br />
imm
Attività n°2:<strong>galleggia</strong> o affonda?<br />
Metti alcool, olio e acqua in tre recipienti distinti e immergi un pezzo di candela in<br />
acqua, uno in olio e uno in alcool.<br />
Cosa osservi?<br />
La candela in acqua <strong>galleggia</strong> bene, emergendo quasi per metà, in olio <strong>galleggia</strong><br />
restando quasi completamente immersa, nell'alcool affonda!<br />
Spiegazione<br />
Il <strong>galleggia</strong>mento di un oggetto dipende dal fatto che il liquido in cui è immerso<br />
esercita su di esso la spinta di Archimede cioè una spinta verso l'alto, che contrasta la<br />
forza di gravità.<br />
A parità di oggetto (la candela), questa spinta è tanto maggiore quanto maggiore è la<br />
densità del liquido. L'alcool è meno denso dell'olio, che a sua volta è meno denso<br />
dell'acqua. Ecco perché la candela <strong>galleggia</strong> bene nell'acqua, un po' meno nell'olio,<br />
affonda in alcool.
Attività n°3: costruzione di un densimetro<br />
Prendiamo una provetta sul cui fondo sono posti dei pallini di piombo (perché assuma<br />
una posizione verticale quando viene immersa in un liquido) e inseriamoci una<br />
striscia di carta millimetrata per poter leggere con precisione di quanto risulterà<br />
immersa nel liquido.<br />
Immergiamo prima la provetta nell’acqua e prendiamo nota dell’altezza h A che risulta<br />
immersa quando la provetta è all’equilibrio (cioè sta <strong>galleggia</strong>ndo): sappiamo che il<br />
peso P della provetta è uguale alla spinta di Archimede e quindi sappiamo che<br />
P = δ ⋅ g ⋅ S ⋅ h<br />
dove con S abbiamo indicato la sezione della provetta.<br />
A<br />
Immergiamo poi la provetta in un altro liquido, per esempio alcool, e annotiamo la<br />
nuova altezza h immersa: anche in questo caso, indicando con δ L la densità del<br />
liquido, dovrà essere<br />
P = δ L ⋅ g ⋅ S ⋅ h<br />
e quindi, confrontando le due relazioni, avremo<br />
cioè<br />
δ ⋅ = δ ⋅ h<br />
A hA L<br />
hA δ L = δ A ⋅<br />
Abbiamo quindi costruito un densimetro cioè uno strumento che ci permette di<br />
misurare la densità di un liquido partendo dalla conoscenza della densità dell’acqua<br />
3<br />
A 1g / cm = δ e dalla misura di h A e h .<br />
Prova per esempio a ricavare la densità dell’alcool e dell’acqua con del sale disciolto.<br />
h<br />
A