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Fluidi – 1° incontro

DipartimentoDi Fisica

Definizioni

I fluidi includono:

• Liquidi (per esempio l'acqua): sono caratterizzati dall'avere una densità di equilibrio, per cui una data quantità di materia (per esempio 1 kg di acqua) occuperà un volume ben definito (in questo caso 1 decimetro cubo, cioè 1 litro); tendono però ad assumere la forma del recipiente che li contiene (bottiglia, bacinella, letto di un fiume...).

• Gas (l'aria): se lasciati liberi tendono a espandersi occupando l'intero volume a disposizione. Per fortuna la nostra atmosfera che ci consente di respirare non è completamente "libera", altrimenti si disperderebbe nell'intero universo, ma è trattenuta dall'attrazione gravitazionale della Terra!

Fluidi 1AggiornaMenti - 2019/2020 2

Perché si chiamano Fluidi?

Definizioni

I fluidi includono:

• Liquidi (per esempio l'acqua): sono caratterizzati dall'avere una densità di equilibrio, per cui una data quantità di materia (per esempio 1 kg di acqua) occuperà un volume ben definito (in questo caso 1 decimetro cubo, cioè 1 litro); tendono però ad assumere la forma del recipiente che li contiene (bottiglia, bacinella, letto di un fiume...).

• Gas (l'aria): se lasciati liberi tendono a espandersi occupando l'intero volume a disposizione. Per fortuna la nostra atmosfera che ci consente di respirare non è completamente "libera", altrimenti si disperderebbe nell'intero universo, ma è trattenuta dall'attrazione gravitazionale della Terra!


Caratteristica dei fluidi è di sviluppare un moto collettivo (fluiscono!)

come risposta alla differenza di pressione tra due regioni diverse

Perché si chiamano Fluidi?

ESPERIMENTI


LE DOMANDE SUI FLUIDI

Viscosità


Cosa è la viscosità?

Come la possiamo misurare, almeno qualitativamente?

Viscosità

La “viscosità” è la misura della resistenza del liquido a scorrere, come l’attrito nei solidi.

Ogni liquido ha una diversa viscosità.

La possiamo sperimentare osservando la velocità con cui un corpo può attraversare fluidi diversi:

es. gel, olio, detersivo, miele, alcool, ecc..

Esperimento: Biglie in vasetti con liquidi diversi


Densità


I liquidi più viscosi sono anche i più densi?

Densità


I liquidi più viscosi sono anche i più densi?

Se pesiamo liquidi di pari volume ma con viscosità diversa, cosa osserviamo?

Meno viscoso

Più viscoso

Acqua, alcool

Olio

Detersivo

Miele

Gel

Densità


Viscosità e densità vengono spesso confuse, ma non sono la stessa cosa.L’olio, pur avendo una viscosità maggiore dell’acqua, è meno denso

Ed infatti a parità di volume pesa meno. Se mettiamo olio e acqua insieme osserviamo che l’olio galleggia nell’acqua.

Se versiamo liquidi di diversa densità nello stesso contenitore, cosa osserviamo?

Densità


In quale dei due cerchi c’è una densità maggiore?

Cosa succede se invece modifichiamo le dimensioni di uno dei due cerchi e mettiamo in entrambi lo stesso numero di palline?

La densità è la quantità di massa contenuta in un dato volume.

Proviamo a “rappresentare” figurativamente la densità utilizzando due cerchi delle stesse dimensioni (rappresentanti lo spazio), al cui interno

posizioneremo un numero differente di palline (rappresentanti le molecole).

Densità


Mettiamo un cubetto di ghiaccio in un bicchiere e riempiamolo d’acqua fino all’orlo.

Cosa succede se lo facciamo scogliere?L’acqua trabocca o no? Perché?

La densità dell’acqua è diversa allo stato solido?

Densità


Questo è dovuto alla particolare disposizione delle molecole che nel ghiaccio si organizzano in strutture ordinate, distanziandosi e andando ad occupare uno

spazio maggiore rispetto allo stato liquido.

Ecco perché dobbiamo ricordarci di togliere la birra dal freezer!

L’acqua non trabocca.

In genere una sostanza allo stato solido è più densa che allo stato liquidoma non nel caso dell’acqua che ha una densità minore allo stato solido.

Infatti il ghiaccio galleggia sull’acqua.

Densità


Lo scioglimento dei ghiacci delle due calotte polari influenza il livello del mare?

L’innalzamento del livello del mare è influenzato dallo scioglimento dei ghiacci continentali (che si trovano sulla terra ferma) come quelli dell’ Antartide o, nel Polo nord, della Groenlandia e del Canada.Mentre lo scioglimento degli iceberg e quindi della calotta artica non ha come effetto diretto l’innalzamento del livello del mare.Come dimostrato dall’esperimento dell’acqua che non trabocca.

Solubilità e Tensioattivi


Cosa accade se mescoliamo i liquidi utilizzati nell’esperimento delle densità?

La presenza del detersivo ha influenzato il risultato finale?

Solubilità e Tensioattivi


Tensioattivi

I detersivi sono tensioattivi, ossia emulsionanti in grado di abbassare la «tensioneinterfacciale» di due liquidi immiscibili.

Le molecole dei tensioattivi hanno una regione polare idrofila e una apolare lipofila e(idrofobica) e sono in grado di posizionarsi nella superficie di contatto tra due liquidinon mescolabili, diminuendone la loro normale repulsione.

Principio di Archimede


Sperimentiamo la galleggiabilità di alcuni oggetti



Galleggia o affonda?Perché?

L’allumino galleggia oppure no?

Le arance galleggiano oppure no?

Il CD galleggia oppure no?

Le pietre galleggiano oppure no? Volume



Perché le navi galleggiano?

Le navi sono costruite in modo da “spostare” un volume d'acqua uguale al loro peso. In pratica, nonostante il ferro sia 7,8 volte più denso dell’acqua, si fa in modo che il volume dello scafo sia

sufficiente a garantire la necessaria spinta di galleggiamento a pieno carico. Ciò avviene perché gran parte dell’interno della nave (stiva, cabine, sala macchine) è vuoto, contiene aria, e

questo riduce drasticamente la densità complessiva della struttura, al punto da renderla meno densa dell'acqua.Questo spiega anche perché il pongo galleggia o affonda a seconda della forma che gli viene data.

Principio di Archimede: un po’ di teoria


Un corpo immerso in un fluido subisce una spinta dal basso verso l'altopari al peso del liquido spostato.

La spinta esercitata dal fluido (liquido o gas) è una forza detta "Spinta di Archimede" (Spinta Idrostatica)

𝐹𝐴 = 𝑚𝑓𝑙𝑔 = 𝑑𝑓𝑙𝑉𝑖𝑚𝑚𝑔

𝐹𝐴 = 𝑑𝑓𝑙𝑉𝑖𝑚𝑚𝑔

𝐹𝑝 = 𝑑𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜𝑉𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜𝑔 𝐹𝑝

𝐹𝐴> 1 → 𝑑𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 > 𝑑𝑓𝑙 𝑉𝑖𝑚𝑚 = 𝑉𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜

𝐹𝑝

𝐹𝐴= 1 → 𝑑𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 = 𝑑𝑓𝑙 𝑉𝑖𝑚𝑚 = 𝑉𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜

𝐹𝑝

𝐹𝐴< 1 → 𝑑𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 < 𝑑𝑓𝑙 𝑉𝑖𝑚𝑚 < 𝑉𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜

Principio di Archimede: un po’ di storia


Il re di Siracusa Gerone aveva fatto realizzare un corona d’oro. Aveva però il sospetto che l’orafo avesse mescolato l’oro con l’argento per imbrogliarlo.

Archimede fu chiamato per risolvere la questione.

• L’argento è meno denso dell’oro

• Archimede costruì una bilancia idrostatica

Appese la corona da una parte, e un oggetto d’oro massiccio dello stesso peso dall’altra.

Immersi in acqua i due oggetti, se fatti dello stesso materiale, riceverebbero la stessa spinta di galleggiamento e la bilancia resterebbe in equilibrio.

Per sfortuna dell’orafo, la bilancia s’inclinò verso l’oro svelando l’inganno.



Come possiamo fare per far galleggiare un uovo?

Un uovo ha un volume di circa 50 ml che è ovviamente anche il volume di liquido spostato se viene immerso in acqua.

Ora se questi 50 ml di acqua pesano meno dell’uovo, per il principio di Archimede, la spinta verso l’alto è insufficiente e l’uovo affonda; ed è proprio quello che succede normalmente se l’uovo è fresco.



Se non possiamo alleggerire l’uovo è possibile “appesantire” l’acqua, o, in termini più scientifici, renderla più densa di modo che lo stesso volume pesi di più e fornisca la spinta di galleggiamento al nostro uovo.

Basta aggiungere un congruo volume di sale che sciogliendosi farà aumentare la densità dell’acqua

Tensione superficiale


Perché il cd e la moneta stanno a galla?

Il cd e la moneta sembrano contraddire il principio di Archimede perché, pur avendo una densità maggiore dell’acqua, possono stare a galla in superficie. Questi fenomeni, così

come la capacità di alcuni insetti di camminare sull’acqua, possono essere spiegati considerando l’effetto della tensione superficiale.

Tensione superficiale


Tutte le molecole d’acqua sono soggette a delle forze attrattive esercitate dalle molecole vicine. Anche una molecola come la B, che si trova vicino alla superficie del liquido, sentirà la forza

attrattiva delle molecole vicine, ma queste si trovano soltanto sotto o accanto. Ne consegue che la molecola B, e tutte le altre molecole in prossimità della superficie del

liquido, sono attratte più efficacemente verso l’interno del liquido stesso.

http://hep.fi.infn.it/ol/samuele/didactics/tens_sup.pdf

Azione dei tensioattivi

I tensioattivi sono chiamati così perché sono in grado di ridurre la tensione superficiale del liquido in cui sono disciolti grazie alla loro struttura. A basse concentrazioni il tensioattivo si dispone sulla superficie del liquido con la parte apolare a contatto dell’aria, riducendo le capacità attrattive delle molecole in superficie.

http://hep.fi.infn.it/ol/samuele/didactics/tens_sup.pdf


Il peso di un recipiente pieno d’acqua ed una pietra rimane invariato se metto la pietra dentro l’acqua?

+ =

Pesate separatamente il recipiente pieno d’acqua e il sasso. Quindi immergete il sasso nell’acqua. Cosa succede se ora pesate di nuovo il recipiente.

Il peso cambierà?

ancora Archimede…

?

Terzo principio


Il peso rimane invariato. La massa ovviamente è rimasta la stessa, dunque la bilancia segna lo stesso peso sia che il sasso sia dentro o fuori dall’acqua.

La risposta non è ovvia se si pensa che il sasso immerso nell’acqua riceve la spinta di Archimede ed in effetti, se lo si pesa con un dinamometro (agganciandolo all’amo) nel momento dell’immersione il dinamometro segna una diminuzione, pari esattamente

all’aumento di peso segnato dalla bilancia digitale. Il sasso esercita dunque sull’acqua una spinta uguale ed opposta a quella che l’acqua esercita sul sasso (terzo principio).


Abbiamo due bicchieri identici con lo stesso livello dell’acqua.In uno però c’è anche un oggetto che galleggia.

Cosa succede se li pesiamo?Quale bicchiere pesa di più?

ancora Archimede…


Abbiamo due bicchieri identici con lo stesso livello dell’acqua.In uno però c’è anche un oggetto che galleggia.

Cosa succede se li pesiamo?Quale bicchiere pesa di più?

ancora Archimede…

Il peso è lo stesso. Il bicchiere contenente l’oggetto che galleggia ha meno acqua dell’altro, ma secondo il

principio di Archimede l’oggetto che galleggia riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume di acqua spostata. Poiché l’oggetto che galleggia è in equilibrio, significa che il

suo peso è esattamente uguale alla spinta di Archimede, ossia al peso dell’acqua spostata.



Come cambia il peso se in uno dei due bicchiericon lo stesso livello d’acqua c’è un oggetto che affonda?

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