L'idrostatica è un'area della fisica che studia la liquidi a riposo. Questo ramo coinvolge diversi concetti come densità, pressione, volume e forza di galleggiamento.
Concetti principali di idrostatica
Densità
La densità determina la concentrazione di materia in un dato volume.
Per quanto riguarda la densità del corpo e del fluido abbiamo:
- Se la densità del corpo è inferiore alla densità del fluido, il corpo galleggerà sulla superficie del fluido;
- Se la densità del corpo è uguale alla densità del fluido, il corpo sarà in equilibrio con il fluido;
- Se la densità del corpo è maggiore della densità del fluido, il corpo affonderà.
Per calcolare la densità si usa la seguente formula:
d = m/v
essere,
d: densità
m: pasta
v: volume
Nel sistema internazionale (SI):
- la densità è espressa in grammi per centimetro cubo (g/cm3), ma può essere espressa anche in chilogrammi per metro cubo (kg/m3) o in grammi per millilitro (g/ml);
- la massa è in chilogrammi (Kg);
- il volume è in metri cubi (m3).
Leggi anche del Densità e il densità dell'acqua.
Pressione
La pressione è un concetto essenziale dell'idrostatica, e in questo campo di studio si chiama pressione idrostatica. Determina la pressione che i fluidi esercitano sugli altri.
Ad esempio, possiamo pensare alla pressione che proviamo quando nuotiamo. Quindi più ci immergiamo, maggiore è la pressione idrostatica.
Questo concetto è strettamente correlato alla densità del fluido e all'accelerazione di gravità. Pertanto, la pressione idrostatica viene calcolata utilizzando la seguente formula:
P = d. h. g
Dove,
P: pressione idrostatica
d: densità del liquido
H: altezza del liquido nel contenitore
g: accelerazione di gravità
Nel Sistema Internazionale (SI):
- la pressione idrostatica è in Pascal (Pa), ma si utilizzano anche l'atmosfera (atm) e il millimetro di mercurio (mmHg);
- la densità del liquido è in grammi per centimetro cubo (g/cm3);
- l'altezza è in metri (m);
- l'accelerazione di gravità è in metri al secondo quadrato (m/sec2).
Nota: Notare che la pressione idrostatica non dipende dalla forma del contenitore. Dipende dalla densità del fluido, dall'altezza della colonna del liquido e dalla gravità del luogo.
Voglio sapere di più? Leggi anche del Pressione atmosferica.
galleggiabilità
La spinta, chiamata anche spinta, è a forza idrostatica che agisce su un corpo immerso in un fluido. Quindi, la forza di galleggiamento è la forza risultante esercitata dal fluido su un dato corpo.
Ad esempio, possiamo pensare al nostro corpo che si sente più leggero quando siamo in acqua, sia in piscina che al mare.
Si noti che questa forza esercitata dal liquido sul corpo era già studiata nell'antichità.
Il matematico greco Archimede fu colui che effettuò un esperimento idrostatico che gli permise di calcolare il valore della forza di galleggiamento (verticale e verso l'alto) che rende più leggero un corpo all'interno di un fluido. Si noti che agisce nella direzione opposta a forza peso.
Attuazione della forza di galleggiamento e della forza peso
Così, la dichiarazione del Teorema di Archimede o Legge di galleggiabilità è:
“Ogni corpo immerso in un fluido riceve un impulso dal basso verso l'alto pari al peso del volume del fluido spostato, quindi, i corpi più densi dell'acqua affondano, mentre i meno densi galleggiante”.
Per quanto riguarda la forza di galleggiamento, possiamo concludere che:
- Se la forza di galleggiamento (E) è maggiore della forza peso (P), il corpo salirà in superficie;
- Se la forza di galleggiamento (E) ha la stessa intensità della forza peso (P), il corpo non si alzerà né cadrà, rimanendo in equilibrio;
- Se la forza di galleggiamento (E) è inferiore alla forza peso (P), il corpo affonderà.
Ricorda che la forza di galleggiamento è a Grandezza vettoriale Vector, cioè ha direzione, modulo e direzione.
Nel Sistema Internazionale (SI), la spinta (E) è espressa in Newton (N) e calcolata con la seguente formula:
E = df. Vfd. g
Dove,
E: forza di galleggiamento
df: densità del fluido
Vfd: volume del fluido
g: accelerazione di gravità
Nel Sistema Internazionale (SI):
- la densità del fluido è in chilogrammi per metro cubo (kg/m3);
- il volume del fluido è in metri cubi (m3);
- l'accelerazione di gravità è in metri al secondo quadrato (m/sec2).
Leggi il formula di spinta.
Bilancia Idrostatica
La bilancia idrostatica fu inventata dal fisico, matematico e filosofo italiano Galileo Galilei (1564-1642).
Basato su Principio di Archimede, questo strumento serve a misurare la forza di galleggiamento esercitata su un corpo immerso in un fluido.
Cioè, determina il peso di un oggetto immerso in un liquido, che a sua volta è più leggero dell'aria.
Bilancia Idrostatica
Leggi anche: Principio di Pascal.
Legge fondamentale dell'idrostatica
oh Teorema di Stevin è nota come “Legge Fondamentale dell'Idrostatica”. Questa teoria postula la relazione di variazione tra i volumi del liquido e la pressione idrostatica. La tua affermazione è espressa come segue:
“La differenza tra le pressioni di due punti di un fluido all'equilibrio (a riposo) è uguale al prodotto tra la densità del fluido, l'accelerazione di gravità e la differenza tra le profondità del punti.”
Il teorema di Stevin è rappresentato dalla seguente formula:
∆P = γ ⋅ Oh o P = d. g. Oh
Dove,
P: variazione della pressione idrostatica
γ: peso specifico del fluido
Oh: variazione dell'altezza della colonna di liquido
d: densità
g: accelerazione di gravità
Nel Sistema Internazionale (SI):
- la variazione della pressione idrostatica è in Pascal (Pa);
- il peso specifico del fluido è in Newton per metro cubo (N/m3);
- la variazione dell'altezza della colonna di liquido è in metri (m);
- la densità è espressa in chilogrammi per metro cubo (kg/m3);
- l'accelerazione di gravità è in metri al secondo quadrato (m/sec2).
Idrostatica e Idrodinamica
Mentre l'idrostatica studia i liquidi a riposo, l'idrodinamica è la branca della fisica che studia il movimento di questi fluidi.
Esercizi per l'esame di ammissione con feedback
1. (PUC-PR) Il galleggiamento è un fenomeno molto familiare. Un esempio è la relativa facilità con cui ci si può alzare dall'interno di una piscina rispetto al tentativo di alzarsi dall'esterno dell'acqua, cioè in aria.
Secondo il principio di Archimede, che definisce la spinta, segnare la proposizione corretta:
a) Quando un corpo galleggia sull'acqua, la galleggiabilità ricevuta dal corpo è inferiore al peso del corpo.
b) Il principio di Archimede è valido solo per corpi immersi in liquidi e non può essere applicato ai gas.
c) Un corpo completamente o parzialmente immerso in un fluido subisce una forza verticale verso l'alto pari in modulo al peso del fluido spostato.
d) Se un corpo affonda nell'acqua con velocità costante, la galleggiabilità su di esso è nulla.
e) Due oggetti dello stesso volume, quando sono immersi in liquidi di diversa densità, subiscono la stessa spinta.
Alternativa c
2. (UERJ-RJ) Una zattera, la cui forma è un parallelepipedo rettangolare, galleggia su un lago d'acqua dolce. La base del suo scafo, le cui dimensioni sono pari a 20 m di lunghezza e 5 m di larghezza, è parallela alla superficie libera dell'acqua e sommersa a distanza da tale superficie. Supponiamo che la zattera sia caricata con 10 automobili, ciascuna del peso di 1.200 kg, in modo che la base dello scafo rimanga parallela alla superficie libera dell'acqua, ma sommersa ad una distanza d da tale superficie.
Se la densità dell'acqua è 1.0 × 103 kg/m3, la variazione (d – do), in centimetri, è: (g=10m/s2)
a) 2
b) 6
c) 12
d) 24
e) 22
Alternativa c
3. (UNIFOR-CE) Due liquidi, A e B, chimicamente inerti e non miscibili tra loro, con densità dA=2,80g/cm3 e dB=1,60g/cm3, rispettivamente, sono collocati nello stesso contenitore. Sapendo che il volume del liquido A è doppio di quello di B, la densità della miscela, in g/cm3, OK:
a) 2.40
b) 2.30
c) 2.20
d) 2.10
e) 2.00
In alternativa a
Per ulteriori domande, con risoluzione commentata, vedere anche: Esercizi idrostatici.
