Fisica: la pressione

di Loredana Randaccio difficoltà: media

Fisica: la pressione Prendiamo un oggetto avente una massa di un centinaio di grammi e appoggiamolo su una mano. Proveremo solo una leggera sensazione di peso. Ripetiamo la prova inserendo uno spillo tra l'oggetto e la mano. Questa volta avvertiremo una sensazione di dolore. Sono le terminazioni nervose che trasmettono al cervello un messaggio, qualcosa sta distruggendo i tessuti superficiali e cerca di penetrare nella pelle. Questa in fisica è la pressione. Esaminiamola più nel dettaglio in questa mia guida.

1 Fisica: la pressione Riprendiamo sinteticamente i due esempi fatti nell'introduzione. In entrambi i casi la forza applicata è la stessa, ovvero il peso dell'oggetto, che è pari a circa un newton. Molto differente è però la superficie su cui agisce questa forza, qualche cm quadrato nel primo caso, una piccola frazione di mm quadrati nel secondo. E' chiaro che la grandezza responsabile delle nostre sensazioni non è semplicemente la forza, ma la forza divisa per la superficie sulla quale essa agisce. Immaginiamo ora di camminare sulla neve fresca dopo un'abbondante nevicata. Usando scarpe normali o scarponi faremo una gran fatica perché ad ogni passo affonderemo nella neve. Se però usiamo le racchette da neve o gli sci non affonderemo più. Anche questa volta quella che è cambiata non è la forza, ma la superficie di appoggio, se questa è abbastanza grande, la neve riuscirà a reggere il peso del nostro corpo.

2 In genere il rapporto tra la componente perpendicolare F di una forza, agente su un'area S, e l'area stessa prende il nome di pressione con la formula: p = F/S. Nel sistema internazionale l'unità di misura della pressione si chiama pascal, indicato con il simbolo Pa, dal nome del grande scienziato francese, vissuto nel 1600, che diede importanti contributi allo studio della pressione nei liquidi. Un pascal rappresenta la forza di 1 newton esercitata in direzione perpendicolare sulla superficie di 1 Metro quadro.Si tratta di un valore relativamente piccolo. Un ragazzo, che pesa circa 50 Kgp (circa 500 Newton), esercita sul pavimento una pressione di 500/0,02 Pa = 25.0000 Pa. La pressione atmosferica al livello del mare, in condizioni normali, vale 1,013 * 10^5 Pa. Per scopi pratici, questo valore viene spesso usato come unità di pressione e prende il nome di atmosfera tecnica o semplicemente atmosfera.

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3 Fisica: la pressione Facciamo ora un breve esperimento.  Una sfera metallica piena d'acqua, nella quale sono stati praticati dei forellini, è collegata a un tubo verticale in cui scorre un pistone.  Approfondimento Come calcolare la pressione esercitata da un corpo (clicca qui) Applicando la forza F al pistone, l'acqua zampilla da tutti i forellini con getti di lunghezza pressappoco uguale che hanno una direzione iniziale perpendicolare a quella della parete.  Lo stesso effetto si osserva comprimendo l'acqua contenuta in un sacchetto di plastica, in cui sono stati praticati dei piccoli fori.  Tale fenomeno si spiega ammettendo che la pressione applicata dal pistone si trasmetta al liquido il quale a sua volta esercita un'eguale pressione su tutte le parti del contenitore in direzione perpendicolare ad esse.  Questo comportamento è descritto dal principio di Pascal, la pressione esercitata su una superficie di un liquido viene da questo trasmessa integralmente su ogni altra superficie in contatto con esso.. 

4 Una semplice verifica sperimentale di tale principio si effettua utilizzando due cilindri, collegati con un tubo, in cui scorrono due pistoni a tenuta. Se, per esempio, la sezione S1 del primo cilindro è dieci volte la sezione S2 del secondo, avremo l'equilibrio applicando al primo una forza F1 dieci volte maggiore di quella F2 applicata al secondo. Infatti in condizioni di equilibrio , la pressione esercitata sui due pistoni deve essere la stessa cioè, p = F1/S1 = F2/S2. La macchina che abbiamo realizzato è l'equivalente di una leva, in cui il ruolo dei bracci delle forze è giocato dalle superfici dei pistoni. Esempi di importanti applicazioni di queste macchine sono le presse idrauliche, gli elevatori, i torchi ed altri.

5 Fisica: la pressione Consideriamo ora l'equilibrio di un volumetto a forma di cubo, con spigoli l, che si trovi all'interno di un liquido a una profondità h dalla sua superficie libera. Se il volumetto è in equilibrio, la risultante delle forze agenti su di esso dovrà essere nulla. Pertanto, se sulla superficie superiore l agisce una forza F1, diretta verticalmente verso il basso, sulla superficie inferiore 2 agirà una forza F2, diretta verso l'alto, che deve equilibrare sia F1 che il peso del volumetto: F2=F1 + mg. Utilizzando la definizione di pressione che ti ho fatto presente prima, e ricordando che nel nostro caso la superficie vale l^2, si ha: p2=p1 + m*g/l^2. La variazione della pressione tra la faccia superiore e quella inferiore del volumetto sarà dunque: delta p = p2 - p1 = (m*g)/l^2 = ((m*g)/l^3) * l = õ*g*l.

6 Questa è la densità, cioè il rapporto tra massa e volume, che è una grandezza caratteristica di ciascun liquido. Si può concludere allora che la pressione di un liquido alla profondità h è: p = p0 + õ * g * h, dove p0 è la pressione atmosferica esercitata sulla superficie libera del liquido. Possiamo anche dire che l'aumento di pressione delta p = p - p0 fra la superficie libera e la profondità h è proporzionale alla profondità, alla densità ed all'accelerazione di gravità. La pressione õ*g*h prende il nome di pressione idrostatica e la formula che ho prima esplicitato esprime la legge di Stevino.

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