meccanica dei fluidi - liquidi | ||
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Supporto teorico | ||
Le leggi della pressione nei liquidi incomprimibili |
Un qualsiasi fluido in quiete non presenta sforzi tengenziali dal momento che viene a mancare la condizione necessaria di variazione della velocità lungo la direzione ortogonale al piano di scorrimento che dà vita a questo tipo di sforzi. Così un fluido in quiete è anche un fluido perfetto e dunque esso è soggetto al principio di Pascal. Inoltre un fluido in quiete può essere supposto diviso in tanti strati orizzontali d'uguale spessore e appare allora evidente che ciascuno strato sostiene il peso di quelli che lo sovrastano. Ne segue che l'azione della gravità sviluppa nei fluidi in quiete delle pressioni interne variabili da un punto all'altro. Se il fluido è incomprimibile (ovvero il cui peso specifico γ è costante), queste pressioni interne sono soggette alle seguenti tre leggi generali.
Prima legge
Questa legge è una diretta conseguenza dell'equazione fondamentale dell'idrostatica p + γh = costante, se con p si indica la pressione, con γ il peso specifico del fluido (assunto costante per ipotesi) e con h l'altezza rispetto ad un piano orizzontale di riferimento (positiva verso l'alto, negativa verso il basso). Per quanto riguarda il valore della costante, esso può essere definita una volta che sia noto nella porzione di fluido considerata il valore p0 della pressione ad una altezza h0 dal piano diriferimento. Risulta pertanto p - p0 = γ(h0 - h). Quando si considera un liquido con superficie libera (come il mare, una piscina o un qualsiasi recipiente più o meno pieno), si è soliti assumere come piano di riferimento per le quote h questa stessa superficie a pressione nota (cioè p = pa per h0 = 0). Si avrà allora per un punto alla profondità z = -h rispetto alla superficie libera dal fluido p = pa + γz che è la legge idrostatica espressa in termini matematici. Normalmente, ma non sempre, pa è la pressione atmosferica (pa = 760 mmHg = 1 atm = 101325 Pa = 1,033 kg forza/cm2). Quando si assume p = pa per h0 = 0, si parla in termini di pressione assoluta, mentre se si assume p = 0 per h0 = 0 ci si esprime in pressione relativa (a quella atmosferica assunta uguale a zero) e in questo caso hanno senso valori negativi di pressione, purché ovviamente essi siano sempre contenuti entro il valore di -1 atm). E' la legge idrostatica che permette di affermare che un sub a 70 metri di profondità è soggetto ad una pressione (relativa) di 7 kg forza /cm2, cioè di circa 7 atmosfere (γacqua = 1000 kg forza/ m3).
La legge idrostatica mostra anche che una pressione può essere convertita, a meno di una costante (il valore di pa), in una colonna di altezza z di fluido avente peso specifico γ. E' su questo principio che funziona il barometro di Torricelli e l'Apparecchio per la verifica della legge di Boyle.
Seconda legge
La seconda legge dei fluidi incomprimibili e in quiete, così come la prima, è una diretta conseguenza dell'equazione fondamentale dell'idrostatica p + γh = costante, se con p si indica la pressione, con γ il peso specifico del fluido (assunto costante per ipotesi) e con h l'altezza rispetto ad un piano orizzontale di riferimento (positiva verso l'alto, negativa verso il basso). Nel caso dei liquidi è più comodo utilizzare l'analoga relazione p = γz, con z la profondità. Da essa appare evidente che alla stessa profondità z la pressione che si misura è tanto più elevata quanto maggiore è il peso specifico del fluido. Ad esempio a 10 metri sotto la superficie dell'acqua (γacqua = 1000 kg forza/m3) la pressione (relativa) è di 1kg forza /cm2 (poco meno di un'atmosfera), mentre a 10 metri di profondità in una piscina di mercurio (γHg = 13590 kg forza/m3) la pressione è di ben 13,59 kg forza /cm2 (ovvero più di 13 volte maggiore).
Terza legge
Questa legge valida per i fluidi incomprimibili e in quiete, così come le altre due, è una diretta conseguenza del principio di Pascal e dell'equazione fondamentale dell'idrostatica p + γh = costante, se con p si indica la pressione, con γ il peso specifico del fluido (assunto costante per ipotesi) e con h l'altezza rispetto ad un piano orizzontale di riferimento (positiva verso l'alto, negativa verso il basso). Si vede chiaramente che se h è costante, come lo è solo su un piano orizzontale, allora anche la pressione si mantiene costante essendo γ costante per ipotesi. Quanto detto continua ad essere valido pure per la superficie di separazione con un altro fluido (aria - acqua, acqua - mercurio, mercuiro - aria, ecc.). Ne segue che in un recipiente che presenti più superfici libere, il liquido si disporrà nei vari vani alla stessa quota, dato che su ciascuna superficie grava la stessa pressione (principio dei vasi comunicanti).