Pressione e fluidi:
dall’idrostatica alla fluidodinamica

Pressione e fluidi: Stevino, Pascal e Archimede

Dalla legge di Stevino alla spinta di Archimede: scopri come liquidi e gas trasmettono la pressione e governano immersioni, atmosfera, galleggiamento e sistemi idraulici.

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Quando immergiamo una mano nell’acqua, gonfiamo una ruota oppure osserviamo una nave galleggiare sul mare, stiamo assistendo ai fenomeni studiati nella fisica della pressione e fluidi.

I fluidi comprendono sia i liquidi sia i gas. A differenza dei solidi, non possiedono una forma propria e possono scorrere adattandosi al recipiente che li contiene.

Che cos’è la pressione

La pressione misura come una forza viene distribuita su una superficie.

Una stessa forza può produrre effetti molto diversi a seconda dell’area su cui agisce.

un coltello affilato taglia facilmente;
le ciaspole evitano di sprofondare nella neve;
i tacchi sottili esercitano pressioni elevate.

Formula della pressione

$p=\frac{F}{S}$

⚠️

Errore comune

Molti pensano che la pressione dipenda soltanto dalla forza applicata. In realtà conta anche la superficie su cui la forza agisce: a parità di forza, una superficie più piccola produce una pressione maggiore.

Unità di misura della pressione

Nel Sistema Internazionale la pressione si misura in pascal (Pa).

$1 \ Pa = 1 \ \frac{N}{m^2}$

Valori tipici di pressione

Situazione	Pressione
Atmosfera terrestre	$1.01\times10^5 \ Pa$
Ruota automobile	circa $2\times10^5 \ Pa$
Pressione sanguigna	circa $1.6\times10^4 \ Pa$

Pressione e fluidi: proprietà fondamentali

non possiedono una forma propria;
esercitano pressione in tutte le direzioni;
trasmettono le variazioni di pressione;
nei liquidi la comprimibilità è molto piccola;
nei gas la comprimibilità è elevata.

Idea chiave

In un fluido in equilibrio la pressione agisce sempre perpendicolarmente alle superfici e si trasmette in tutte le direzioni.

La densità dei fluidi

La densità misura quanta massa è contenuta in un volume.

Formula della densità

$\rho=\frac{m}{V}$

La legge di Stevino

Quando ci immergiamo sott’acqua percepiamo un aumento della pressione.

Formula della pressione idrostatica

$p = \rho g h$

$p_{\text{tot}} = p_0 + \rho g h$

Per questo motivo la pressione aumenta con la profondità: i subacquei percepiscono pressioni molto elevate durante le immersioni profonde.

Simulazione interattiva della legge di Stevino

I vasi comunicanti

Nei recipienti comunicanti contenenti lo stesso liquido il livello del fluido raggiunge la stessa altezza.

Questo avviene perché alla stessa profondità la pressione deve essere uguale.

Schema dei vasi comunicanti con liquido alla stessa altezza e applicazioni della legge di Stevino — Nei vasi comunicanti contenenti lo stesso liquido, il fluido raggiunge la stessa altezza in tutti i recipienti perché alla stessa profondità la pressione deve essere uguale.

Applicazioni dei vasi comunicanti

acquedotti;
fontane;
livelle ad acqua;
impianti idraulici.

Il principio di Pascal

Una variazione di pressione applicata a un fluido si trasmette integralmente in ogni punto del fluido.

Schema del principio di Pascal con pistoni idraulici e trasmissione della pressione nei fluidi — Nel principio di Pascal una variazione di pressione applicata a un fluido si trasmette integralmente in ogni punto del fluido.

Applicazioni del principio di Pascal

freni idraulici;
sollevatori idraulici;
presse idrauliche;
martinetti.

$\frac{F_1}{S_1}=\frac{F_2}{S_2}$

La spinta di Archimede

Un corpo immerso in un fluido riceve una forza diretta verso l’alto.

Principio di Archimede

$F_A = \rho \cdot g \cdot V$

Simulazione interattiva della spinta di Archimede

Galleggiamento e affondamento

se $\rho_{corpo} < \rho_{fluido}$ il corpo galleggia;
se $\rho_{corpo} > \rho_{fluido}$ il corpo affonda;
se le densità sono uguali il corpo resta in equilibrio.

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Errore comune

Gli oggetti più pesanti non affondano necessariamente. Ciò che determina il galleggiamento è la densità media del corpo rispetto a quella del fluido. Per questo motivo enormi navi di acciaio riescono a galleggiare.

La pressione atmosferica

Torricelli dimostrò l’esistenza della pressione atmosferica utilizzando un tubo pieno di mercurio.

Esperimento di Torricelli

$p = \rho g h$

Simulazione interattiva dell’esperimento di Torricelli

Applicazioni di pressione e fluidi

subacquea;
meteorologia;
idraulica;
sommergibili;
freni idraulici.

Fluidodinamica • Bernoulli e Venturi

Il principio di Bernoulli

Quando un fluido si muove, la sua velocità e la sua pressione sono strettamente collegate. Daniel Bernoulli dimostrò che, lungo una linea di flusso, un aumento della velocità comporta una diminuzione della pressione.

Equazione di Bernoulli

$p + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho gh = \text{costante}$

L’equazione mostra che l’energia totale del fluido si conserva: pressione, energia cinetica ed energia potenziale possono trasformarsi l’una nell’altra.

Velocità

Quando il fluido accelera, aumenta la sua energia cinetica.

Pressione

Se la velocità aumenta, la pressione diminuisce.

Portanza

Le ali degli aerei sfruttano differenze di pressione generate dalla diversa velocità dell’aria.

Fluidodinamica • Effetto Venturi

L’effetto Venturi

Quando un fluido attraversa un restringimento del condotto, la sua velocità aumenta mentre la pressione diminuisce. Questo fenomeno prende il nome di effetto Venturi ed è una conseguenza diretta del principio di Bernoulli.

Che cosa accade nel restringimento?

la sezione del tubo diminuisce;
la velocità del fluido aumenta;
la pressione del fluido diminuisce;
il fluido accelera nella zona più stretta.

Nebulizzatori

Gli spray e i profumi sfruttano la diminuzione di pressione per aspirare il liquido.

Carburatori

Nei motori tradizionali il restringimento accelera l’aria e favorisce la miscela con il carburante.

Aerei

L’aria che scorre più velocemente sopra l’ala genera una pressione minore e produce portanza.

🌪️

Idea chiave

Nel restringimento di un condotto il fluido accelera e la pressione diminuisce: velocità e pressione sono quindi strettamente collegate.

Simulazione interattiva Bernoulli-Venturi

Modifica velocità iniziale, restringimento e densità del fluido per osservare in tempo reale come cambiano velocità e pressione nel condotto.

Fluidodinamica • Il prossimo livello

Oltre l’idrostatica

Finora abbiamo studiato fluidi in equilibrio. La fluidodinamica analizza invece il comportamento dei fluidi in movimento: correnti d’aria, portanza degli aerei, velocità dei fluidi e fenomeni che governano atmosfera, turbine, ali e motori.

Bernoulli

La velocità di un fluido influenza la pressione e spiega la portanza degli aerei.

Effetto Venturi

Quando il fluido attraversa un restringimento aumenta la velocità e diminuisce la pressione.

Portanza

Le ali degli aerei sfruttano differenze di pressione per generare una forza verso l’alto.

In sintesi

la pressione è il rapporto tra forza e superficie;
la legge di Stevino descrive la pressione nei liquidi;
Pascal spiega i sistemi idraulici;
Archimede descrive il galleggiamento;
Bernoulli e Venturi permettono di comprendere i fluidi in movimento.

Domande di ripasso

Che cos’è la pressione?
Che cosa afferma Stevino?
Come funziona il principio di Pascal?
Perché una nave galleggia?
Che cosa sono i vasi comunicanti?
Che cosa afferma il principio di Bernoulli?
Che cosa accade in un condotto ristretto secondo l’effetto Venturi?

Conclusione

Lo studio della pressione e dei fluidi permette di comprendere fenomeni fondamentali della natura e della tecnologia: dal galleggiamento delle navi al funzionamento dei freni idraulici, dall’immersione dei sommergibili fino alla pressione atmosferica che avvolge la Terra.

Attraverso le leggi di Stevino, Pascal, Archimede, Bernoulli e Venturi, la fisica trasforma osservazioni quotidiane in modelli matematici capaci di descrivere il comportamento dei fluidi.

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