sabato 26 febbraio 2011

Il galleggiamento

 

A molti sarà capitato di trovarsi in piscina o a mare e di provare a sollevare un amico immerso in acqua. Non può sfuggire la sensazione di quanto sia stato sorprendentemente facile.

Si può sollevare facilmente un amico immerso in acqua perché il suo corpo galleggia. Il galleggiamento di un corpo è dovuto alla capacità di un fluido di esercitare una forza diretta verso l’alto su un corpo immerso in esso. Infatti, quando un corpo è immerso ad esempio nell’acqua, l’acqua esercita su di esso una forza diretta verso l’alto, rendendo più facile sollevarlo. Questa forza, che agisce in direzione opposta alla gravità, è detta spinta di Archimede.

Il galleggiamento di un corpo in un fluido è strettamente collegato al rapporto tra le densità del corpo e del fluido.

Ricordiamo che la densità è definita come rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume, quindi:

dove d è la densità, M è la massa e V è il volume.

L’unità di misura della densità quindi sarà Kg/m3 (chilogrammi al metro cubo). L’acqua, ad esempio, ha una densità di 1000 Kg/m3, mentre l’acciaio ha una densità di 7800 Kg/m3.

Se un corpo ha una densità inferiore a quella del liquido in cui è immerso galleggia. Viceversa, se la sua densità è superiore a quella del fluido, affonda. Quanto detto si può schematizzare nel seguente modo:

se  allora il corpo galleggia,

se  allora il corpo affonda.

Anche tipi diversi di fluidi possono galleggiare l’uno sull’altro: l’olio, ad esempio, galleggia sull’acqua poiché è meno denso.

Per determinare se un corpo galleggia, analizziamo le forze che agiscono su di esso. Come si può osservare nelle figure, le forze che agiscono sono due: il peso e la spinta di Archimede. La forza di gravità ovvero il peso del corpo, è diretta verso il basso; la spinta di Archimede, uguale al peso del volume di fluido spostato, è diretta verso l'alto.

Quando la spinta di Archimede è uguale al peso del corpo immerso, il corpo galleggia oppure rimane sospeso, mentre il corpo affonda quando la spinta è minore del suo peso.


Corpo e fluido con uguale densità
Un corpo che ha la stessa densità del fluido in cui è immerso rimane sospeso, ovvero rimane in equilibrio nel fluido. In questo caso la spinta di Archimede che agisce sul corpo è esattamente uguale al suo peso. I sottomarini e alcuni pesci sono in grado di rimanere sospesi in acqua "modificando" la loro densità.

corpo resta sospeso

Forze uguali agenti sul cubo sommerso gli permettono di rimanere sospeso nel fluido: il cubo ha la stessa densità dell'acqua.


Corpo con densità maggiore del fluido
Se la forma dello scafo di una nave le permette di galleggiare, che cosa ne può determinare l'affondamento? Come ben si sa, quando il peso di una nave diventa maggiore della spinta di Archimede agente su di essa, la nave affonda. Questo può avvenire quando lo scafo della nave si danneggia e imbarca acqua: quando l'acqua entra nello scafo, il volume dell'acqua spostata dalla nave si riduce e di conseguenza si riduce la spinta di Archimede.

corpo affonda

Il cubo di metallo affonda perché il suo peso è maggiore della spinta di Archimede: il cubo è più denso dell'acqua.


Corpo con densità inferiore del fluido
Ci si può meravigliare del fatto che un pezzo di acciaio affonda, mentre una nave costruita in acciaio galleggia. Il galleggiamento di una pesante nave è legato alla forma del suo scafo: essa è tale da spostare un grande volume d'acqua, generando una grande spinta di Archimede sufficiente a contrastare l'enorme peso della nave.
La capacità di una nave di galleggiare in acqua può anche essere spiegata in termini di densità.

corpo galleggia

Il cubo di legno galleggia a una profondità per cui la spinta di Archimede e il suo peso sono uguali: il cubo è meno denso dell'acqua.


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