Principi della fluidodinamica

La pressione idrostatica e il principio dei vasi comunicanti

La pressione idrostatica è la pressione esercitata da un fluido in equilibrio a causa della forza di gravità. Essa aumenta proporzionalmente con la profondità del fluido, poiché la pressione è direttamente proporzionale al peso della colonna di fluido sovrastante. A 10 metri di profondità, ad esempio, la pressione idrostatica è circa doppia rispetto a quella atmosferica al livello del mare. Un esperimento illustrativo consiste nel praticare fori a diverse altezze su una bottiglia piena d'acqua: l'acqua fuoriesce con maggiore velocità dai fori più bassi, dimostrando che la pressione idrostatica è maggiore in prossimità del fondo. Il principio dei vasi comunicanti, invece, afferma che in un sistema di contenitori interconnessi e riempiti con lo stesso liquido, il livello del liquido si stabilizza alla stessa altezza in tutti i contenitori, indipendentemente dalla loro forma e dimensione, a causa della pressione idrostatica uniforme.

La capillarità e le forze di adesione e coesione

Le forze di adesione e coesione sono essenziali per spiegare il fenomeno della capillarità. Le forze di adesione si verificano tra le molecole di un liquido e le superfici solide con cui entrano in contatto, come dimostrato dall'acqua che forma un menisco concavo quando è in contatto con il vetro. La capillarità si riferisce all'ascensione di un liquido all'interno di un tubo capillare sottile, fenomeno che si verifica quando le forze di adesione tra il liquido e le pareti del tubo sono maggiori delle forze di coesione interne al liquido. Questo permette al liquido di salire contro la forza di gravità. Nel caso di liquidi come il mercurio, dove le forze di coesione sono più forti, si osserva un menisco convesso. La capillarità è un principio vitale in natura, ad esempio, nel trasporto dell'acqua dalle radici alle foglie nelle piante attraverso i vasi xilematici.

La tensione superficiale dell'acqua

La tensione superficiale è una caratteristica distintiva dell'acqua, causata dalle forze di coesione tra le molecole d'acqua, che conferiscono alla superficie del liquido la capacità di resistere a una forza esterna. Questo fenomeno è evidente quando oggetti di piccola densità, come una graffetta, galleggiano sull'acqua, o quando alcuni insetti si muovono sulla sua superficie senza affondare. La tensione superficiale è anche responsabile della forma sferoidale delle gocce d'acqua. L'introduzione di sostanze tensioattive, come i detersivi, riduce la tensione superficiale: i tensioattivi si posizionano tra le molecole d'acqua, con le loro parti idrofile rivolte verso l'acqua e quelle idrofobe verso l'esterno, diminuendo le interazioni tra le molecole d'acqua e facilitando processi come la pulizia e la penetrazione di liquidi in tessuti o materiali porosi.

Il principio dei vasi comunicanti e le sue applicazioni

Il principio dei vasi comunicanti è un concetto fisico che afferma che in un sistema di contenitori collegati tra loro e contenenti lo stesso liquido, il livello del liquido si equilibra alla stessa altezza in tutti i contenitori. Questo principio è applicabile a tutti i liquidi incondizionatamente dalla loro densità e trova impiego in molteplici applicazioni pratiche, come negli acquedotti. In un acquedotto, l'acqua viene sollevata in un serbatoio elevato e poi distribuita per gravità ai vari punti di utilizzo. Grazie alla gravità e al principio dei vasi comunicanti, l'acqua può raggiungere piani alti degli edifici, salendo fino a un'altezza che non supera quella del serbatoio. Questo sistema, sebbene antico, è ancora oggi fondamentale per il trasporto e la distribuzione dell'acqua potabile nelle infrastrutture urbane e rurali.