5 Forze che agiscono nei fluidi

Ti sarà capitato, scherzando con gli amici nell’acqua del mare, di sollevare qualcuno e di sentire il suo peso molto più “leggero” di quello reale. Facendo il “morto” nell’acqua avrai anche avuto l’impressione di pesare di meno, come se qualcuno ti sostenesse e ti spingesse verso l’alto. La causa di questi fenomeni è una forza esercitata dall’acqua, detta spinta idrostatica.



Da che cosa dipende la spinta idrostatica?
Nella tabella sono raccolti i risultati relativi a un esperimento in cui si è misurato il volume di alcuni sassi e il loro peso in aria (17 ) e in acqua (18 ). Se confronti il peso dei vari sassi in aria e in acqua, vedrai che essi risultano essere più leggeri in acqua che nell’aria: la forza esercitata dall’acqua contrasta la forza-peso del sasso quando viene immerso. Se calcoli la differenza tra il peso in aria, P1, e il peso in acqua, P2, per ogni sasso, troverai dei valori molto vicini ai corrispondenti valori dei volumi. Puoi concludere che la “spinta” ricevuta dal sasso in acqua dipende dal volume di acqua spostata durante l’immersione.


Questo fenomeno è stato studiato secoli fa da Archimede (287-212 a.C.), che, dopo osservazioni e sperimentazioni, enunciò la famosa legge, nota come principio di Archimede, secondo la quale un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume del liquido spostato. Tale spinta è conosciuta come spinta di Archimede e su di essa si basa il galleggiamento o l’affondamento di un corpo.
Galleggiare o affondare?
I corpi immersi in un liquido sono sottoposti a due forze:
- la forza-peso P, diretta verso il basso;
- la spinta di Archimede S, diretta verso l’alto.
Come sai, il peso di un corpo dipende dal suo peso specifico e dal volume:

p = ps (corpo) · V

La spinta di Archimede dipende dal peso specifico e dal volume spostato, che corrisponde al volume del corpo immerso:

S = ps (liquido) · V

Per prevedere il comportamento di un corpo immerso in un liquido è quindi necessario conoscere i pesi specifici del corpo e del liquido. Se il liquido è l’acqua (ps = 1), l’intensità della spinta sarà sempre uguale al volume del corpo:
S = 1 · V S = V
Osserva i tre casi illustrati:
- Se il corpo immerso è di un materiale con peso specifico minore di quello dell’acqua, per esempio il legno, la sua forza-peso è minore della spinta di Archimede ( a ):
P < S → il corpo galleggia.

- Se il corpo immerso è di un materiale con peso specifico uguale a quello dell’acqua, per esempio certi tipi di plastica, la forzapeso è uguale alla spinta ( b ):
P = S → il corpo è in equilibrio e resta sospeso nell’acqua.

- Se il corpo immerso è di un materiale con peso specifico maggiore di quello dell’acqua, per esempio il ferro, la sua forza-peso è maggiore della spinta ( c ):
P > S → il corpo va a fondo.

Sul principio di Archimede si basa il fenomeno del galleggiamento, sfruttato per la navigazione. Le navi, però, sono costruite di materiali il cui peso specifico è maggiore di quello dell’acqua; nonostante ciò, galleggiano perché sono costruite in modo che il loro peso sia distribuito in un volume molto ampio e in gran parte occupato dall’aria, che ha peso specifico minore di quello dell’acqua. La spinta che la nave riceve è quindi maggiore del suo peso.

Che cosa accade quando il liquido non è acqua?
Galleggiare nell’acqua di mare è più facile che nell’acqua della piscina. L’acqua marina contiene infatti disciolti molti sali che ne aumentano il peso specifico e di conseguenza l’intensità della spinta di Archimede. Se vuoi vedere un sasso galleggiare, lo devi immergere in un liquido che abbia peso specifico maggiore del sasso, per esempio il mercurio (ps 13,6 g/cm3) (19 ). Un cubetto di ghiaccio, galleggia nell’acqua perché il ghiaccio ha peso specifico minore di quello dell’acqua, ma va a fondo nell’alcol (ps 0,79 g/cm3) (20).


Come si comporta un corpo “immerso” nell’aria?
Anche i corpi “immersi” nell’aria sono sottoposti a due forze di verso opposto, il peso e la spinta di Archimede. Il principio di Archimede vale per tutti i fluidi, cioè per qualsiasi sostanza allo stato liquido o aeriforme, perciò anche per l’aria. In questo caso si parla di spinta aerostatica.
I palloncini nella fotografia 21 “galleggiano” nell’aria perché sono gonfiati con elio, un gas che ha peso specifico minore di quello dell’aria.
I palloncini, quindi, ricevono dall’aria una spinta maggiore del loro peso e tendono a salire sempre più in alto.
I palloncini che non prendono il volo (22 ) sono stati gonfiati con un gas di peso specifico uguale o maggiore di quello dell’aria. La spinta che ricevono dall’aria è minore del loro peso.
Anche le mongolfiere sfruttano il principio di Archimede. Sono dei grandi palloni sotto i quali una sorgente di calore riscalda l’aria che entra al loro interno. L’aria calda si dilata e di conseguenza la sua densità diminuisce; il suo peso specifico risulterà quindi minore di quello dell’aria fredda circostante e il pallone prenderà il volo sotto l’azione della spinta di Archimede.