L'equilibrio dei fluidi: concetti fondamentali di fisica

L'equilibrio dei fluidi

Gli stati della materia

Un solido ha una forma fissa e un volume proprio. Non può scorrere, né può espandersi o essere compresso. Un liquido può scorrere, perciò assume la forma del recipiente. Possiede un volume proprio ed è quasi impossibile comprimerlo. Anche un gas può scorrere, però occupa sempre tutto il volume interno del recipiente ed è facilmente comprimibile. Per la loro proprietà di scorrere, cioè di fluire, i liquidi e i gas sono detti fluidi.

La pressione

Gli effetti di una forza che agisce su una superficie cambiano a seconda dell'area della superficie e sono descritti dalla pressione. la forza-peso Fp che agisce sul blocco (applicata al baricentro, ma qui rappresentata per comodità da un vettore con la coda sulla base di appoggio) tira il blocco verso il basso lungo la verticale la proiezione Fi di Fp lungo la perpendicolare al piano è la forza con cui il blocco preme perpendicolarmente il piano S la pressione del blocco sul piano dipende dal modulo F della forza premente e dall'area S della base di appoggio La pressione è una grandezza scalare data dal rapporto tra il modulo della forza che agisce perpendicolarmente alla superficie e l'area della superficie: FL p = S modulo della forza perpendicolare alla superficie (N) pressione (Pa) area della superficie (m2)

L'unità di misura della pressione

Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della pressione è il pascal (Pa), definito come la pressione che si ottiene quando una forza di intensità 1 N agisce perpendicolarmente su una superficie di area 1 m2. 1 N 1 Pa = = 1 N/m 1 m2 La pressione è una grandezza fisica unitaria perché è espressa per unità di area.

• Fissata l'area su cui è distribuita una forza, se la forza aumenta anche la pressione aumenta;
• fissata invece la forza, se l'area aumenta allora la pressione diminuisce.

La pressione nei liquidi

Secondo la legge di Pascal, la pressione esercitata su una superficie qualsiasi di un liquido si trasmette, con lo stesso valore, a ogni altra superficie a contatto con il liquido. ESEMPI:

• premendo il pistone il palloncino divent più piccolo, ma conserva la propria forma sferica;
• premendo una bottiglia con tappo sportivo, la pressione si trasmette fino all'apertura (orientata diversamente dalle pareti che stringiamo con le dita) e il liquido zampilla dal beccuccio. F F

https://www.youtube.com/watch?v=xD7FoMAO PQ

Il torchio idraulico

Il torchio idraulico è usato, ad esempio nelle autofficine, per sollevare pesi grandi mediante forze piccole. la pressione è la stessa sui due pistoni = una forza FA più debole applicata al pistone piccolo produce una forza Fa più intensa sul pistone grande F S B 1 h S. F Per la legge di Pascal: PA = PB = FA _FB SA SB il volume di liquido non varia - se il pistone piccolo si abbassa di un tratto har il pistone grande si innalza di un tratto ha minore di ha modulo della forza sul primo pistone (N) area del primo pistone (m2) Quindi: FA B = SA SB modulo della forza sul secondo pistone (N) area del secondo pistone (m2)

I freni a disco

Il principio del torchio idraulico è usato anche nei freni a disco delle automobili: la pressione esercitata dal pedale del freno si trasmette lungo i tubi pieni di liquido e fa stringere le due pastiglie, che per attrito rallentano il disco collegato alla ruota. pastiglie circuito oleodinamico disco Quindi la forza che agisce sulle pastiglie è amplificata rispetto a quella che agisce sul pedale.

La legge di Stevino

La pressione p, su un punto a profondità h di un fluido di densità d sulla cui superficie libera c'è la pressione po, è data dalla legge di Stevino: h pressione nel liquido (Pa) densità del liquido (kg/m3) P = Po + dgh profondità (m) pressione atmosferica (Pa) costante g (N/kg) NB: l'aria dell'atmosfera (a 45° di latitudine e alla temperatura di 15°) esercita su ogni superficie una pressione: Po = 1,01 × 105 Pa

https://www.youtube.com/watch?v=tvETsiQxnc4

La pressione idrostatica

Si chiama pressione idrostatica pr la differenza tra la pressione p su un punto interno a profondità h e la pressione Po sulla superficie libera: Ph = p - Po = dgh NB: la pressione idrostatica dipende solo dal peso del liquido. Po Po Po h P P PI

I vasi comunicanti

Si chiamano vasi comunicanti due o più recipienti uniti da un tubo.

• Se l'altezza ha del liquido nel reci- piente di sinistra è maggiore dell'altez- za hB nel recipiente di destra, anche la pressione sulla faccia sinistra della se- zione è maggiore della pressione sulla faccia destra. 1 h A 1 h B B
• La differenza di pressione produce un flusso di liquido verso destra. Quan- do le due altezze sono uguali (h) = hg = h), e sulle due facce della se- zione la pressione è la stessa, il liquido è all'equilibrio. A h B In un sistema di vasi comunicanti, un liquido raggiunge ovunque lo stesso livello.

Vasi comunicanti con due liquidi non miscibili

Due rami di un tubo a U sono vasi comunicanti. Nell'esempio i due liquidi contenuti nel tubo sono mercurio e acqua: il mercurio ha densità maggiore dell'acqua e non si mescola con essa. All'equilibrio il suo livello è più basso di quello dell'acqua. HO, densità d la pressione idrostatica dell'acqua da sopra è uguale a quella del mercurio da sotto = d,gh] = d2gh2 h Hg, densità d, > d, h2 la superficie di contatto dei due liquidi è a profondità h, rispetto al livello dell'acqua e a profondità h2 < h1 rispetto al livello del mercurio p=p2=> po +dgh=p+dgh,>1=2 h d 12 1 Le altezze a cui si portano due liquidi non miscibili in un tubo a U sono inversamente proporzionali alle loro densità.

https://www.youtube.com/watch?v=MQe60gPuemE