Il Torchio Idraulico: Principi e Funzionamento
Il torchio idraulico è un dispositivo che sfrutta i principi della fisica dei fluidi per amplificare una forza. Il suo funzionamento si basa su leggi fondamentali come quella di Pascal e di Archimede.
Pressione: Definizione e Misura
La pressione è una grandezza scalare, definita come il rapporto tra la forza perpendicolare a una superficie e l'area della superficie stessa. L'unità di misura della pressione nel Sistema Internazionale è il pascal (Pa).
Lo strumento usato per misurare la pressione atmosferica è chiamato barometro, mentre il manometro è utilizzato per misurare la pressione di fluidi in sistemi chiusi.
Nelle previsioni del tempo, si sente spesso parlare di millibar. Che cos'è il millibar? È un'unità di misura della pressione utilizzata per comodità quando si parla della pressione atmosferica.
Fattori che Influenzano la Pressione
- Forza e Superficie: Se la superficie sulla quale agisce una data forza perpendicolare raddoppia, la pressione diventa la metà.
- Profondità: All'interno di un liquido reale pesante, la pressione è maggiore verso il fondo, e perpendicolare alla superficie.
Secondo la legge di Stevino, la pressione a una certa profondità h in un liquido di densità ρ è data dall'espressione: ρgh. La pressione a una certa profondità dipende dal peso della colonna di liquido sovrastante.
Consideriamo tre recipienti cilindrici non capillari, di diverso diametro, collegati alla base da un tubo. Se si versa del liquido in uno dei tre recipienti, raggiungerà lo stesso livello in tutti e tre i recipienti.
Cosa puoi dire della pressione sul fondo dei tre recipienti del disegno? È la stessa per tutti e tre i recipienti.
La Legge di Pascal e le sue Applicazioni
La legge di Pascal afferma che la pressione esercitata su una superficie qualsiasi di un liquido si trasmette su ogni altra superficie a contatto con il liquido con lo stesso valore.
La proprietà dei liquidi espressa dalla legge di Pascal può essere sfruttata per trasmettere le forze da un punto a un altro, per amplificare le forze e per costruire i freni a disco.
Il torchio idraulico sfrutta la legge di Pascal per amplificare la forza applicata sul pistone più piccolo e ottenere una forza molto maggiore dalla parte del pistone più grande. Grazie al liquido presente nel torchio, infatti, la pressione nel pistone più piccolo, che è il rapporto tra forza e superficie, sarà uguale al rapporto tra forza e superficie nel pistone più grande.
Esempio di Applicazione: Elevatore Idraulico
Il pistone di comando e la pedana di un elevatore idraulico per auto sono in equilibrio allo stesso livello. La sezione orizzontale del pistone di comando dell'elevatore misura 12 cm2, mentre quella della pedana elevatrice misura 1200 cm2. La forza F1 applicata al pistone di comando ha un modulo di 140 N. Il peso P dell'automobile vale 14000 N.
La Legge di Archimede e il Galleggiamento
Secondo la legge di Archimede, la spinta idrostatica su un oggetto immerso in un liquido è proporzionale al volume immerso dell'oggetto.
Una nave galleggia sulla superficie del mare se la sua densità media è minore di quella dell'acqua del mare.
Una mongolfiera ad aria calda è in grado di volare perché la densità dell'aria calda è minore di quella dell'aria fredda.
Densità e Galleggiamento
Il mercurio ha densità pari a circa 13500 kilogrammi per metro cubo, mentre la densità dell'acqua è di 1000 kilogrammi per metro cubo. Questo significa che una massa di mercurio ha un peso circa 13,5 volte maggiore rispetto alla stessa massa di acqua.
La densità dell'acqua è di 1000 kilogrammi per metro cubo. Ciò permette di stabilire che 1 kg d'acqua occupa un volume di 1 decimetro cubo.
La densità media della Terra è di circa 5500 kilogrammi per metro cubo. Se si conosce il raggio della Terra, e si sa che essa ha forma sferica, questa informazione sulla densità permette di calcolare la massa della Terra.
Pressione Atmosferica
Il valore della pressione atmosferica al livello del mare vale all'incirca 101 kPa.
Nella sua famosa esperienza di misura della pressione atmosferica, Evangelista Torricelli utilizzò un tubo e un recipiente contenenti mercurio. Perché non usò semplicemente dell'acqua? Se avesse usato l'acqua, gli sarebbe servito un tubo lungo dieci metri.
La pressione atmosferica che si esercita sulla nostra testa non schiaccia il cranio perché la pressione interna al cranio è esattamente sufficiente a controbilanciarla.
Qual è il valore della pressione atmosferica in condizioni normali? 1,01 x 105 Pa.
Esercizi sulla Pressione
Quanto vale la pressione esercitata dall'acqua sul fondo di un bicchiere colmo e alto 12 cm? p = 1177,2 Pa.
Le racchette da neve permettono di camminare nella neve senza sprofondare perché diminuiscono la pressione esercitata sulla neve allargando la superficie di contatto. Qual è la pressione esercitata da una persona di 70 kg se la superficie totale delle racchette è di 0,1 m2? La risposta corretta è: 6,9 · 103 Pa.
Consideriamo una lattina di forma cilindrica. Normalmente diciamo che la lattina è vuota anche se contiene dell'aria: se veramente non contenesse neanche dell'aria, la pressione atmosferica non sarebbe compensata da nulla e la lattina verrebbe immediatamente schiacciata. Supponi che la lattina abbia una superficie di 28 cm2. A quale forza è sottoposta? La risposta corretta è: 2,8 · 102 N.
La fossa delle Marianne, nell'Oceano Pacifico, è la più profonda depressione oceanica conosciuta al mondo. Il punto più profondo, l'abisso Challenger, si trova a circa 11 000 metri sotto il livello del mare. Qual è l'ordine di grandezza della pressione dell'acqua nel fondo di quell'abisso? Ricorda che l'ordine di grandezza della densità dell'acqua salata è 103 kg/m3. La risposta corretta è: 108 Pa.
Una mongolfiera ha il pallone che contiene l'aria calda del volume di 350 m3. La densità dell'aria all'altezza in cui sta volando è di 1,1 kg/m3. Se la mongolfiera non sta salendo né scendendo, qual è la sua massa?m = 385 kg
Il dislocamento di una nave è la massa dell'acqua da essa spostata, e si usa come riferimento per la massa della nave stessa. Se una nave da crociera ha un dislocamento di 56000 t, qual è la massa della nave e che volume di acqua sposta? La risposta corretta è: m nave = 5,6 · 107 kg, Vacqua = 5,6 · 104 m3.
Un recipiente è pieno d'acqua fino all'orlo. Un oggetto solido di massa pari a 3,00 kg viene immerso completamente nell'acqua. Durante questo procedimento, 2,00 kg d'acqua fuoriescono al di sopra dell'orlo del recipiente. Quanto vale la spinta di Archimede che agisce sull'oggetto? Di conseguenza, una volta liberato, l'oggetto risalirà, cadrà sul fondo o rimarrà fermo a mezz'acqua? La risposta corretta è: 19,6 N. L'oggetto precipita.
Un oggetto metallico viene completamente immerso in acqua; il suo peso apparente diminuisce del 9,5%. Di che materiale è fatto l'oggetto? La risposta corretta è: Ferro (densità 7,86 · 103 kg/m3).
Un cilindro di legno di densità 7,6 · 102 kg/m3 alto 11,5 cm viene immerso in una latta contenente olio di lino di densità 9,4 · 102 kg/m3. Di quanti cm emerge il blocchetto dall'olio? La risposta corretta è: 2,2 cm.
Tabella Riassuntiva delle Grandezze Fisiche
| Grandezza Fisica | Unità di Misura | Strumento di Misura |
|---|---|---|
| Pressione | Pascal (Pa) | Barometro, Manometro |
| Densità | kg/m³ | Densimetro |
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