Il principio di Archimede

• Comprendere il principio di Archimede e osservarne gli effetti su oggetti diversi aventi densità diverse

In fisica, la spinta idrostatica è la forza rivolta verso l’alto esercitata su un oggetto dal liquido o dal gas circostante in cui è immerso totalmente o parzialmente, a causa della differenza di pressione del fluido tra la parte superiore e quella inferiore dell’oggetto.

La forza di galleggiamento netta è pari al peso del fluido spostato dal corpo. Questa forza permette all’oggetto di galleggiare o, quantomeno, di sembrare più leggero.

La galleggiabilità è importante per molti mezzi di trasporto, come barche, navi e mongolfiere, e svolge un ruolo fondamentale in diversi fenomeni naturali, come la sedimentazione. Il principio di Archimede prende il nome da Archimede di Siracusa, il quale per primo scoprì la seguente legge relativa a un corpo immerso in un liquido.

"Qualsiasi oggetto, immerso totalmente o parzialmente in un fluido, è sostenuto da una forza pari al peso del fluido da esso spostato.".

La pressione aumenta con la profondità al di sotto della superficie di un liquido. Qualsiasi oggetto immerso a una profondità verticale diversa da zero subirà pressioni diverse sulla parte superiore e su quella inferiore, con la pressione sulla parte inferiore che risulta maggiore. Questa differenza di pressione genera la forza di galleggiamento verso l’alto.

Dove ρ è la densità del fluido, h è la profondità (altezza negativa) e g è l’accelerazione di gravità standard (9,8 N/kg sulla Terra).

Un oggetto con una densità media superiore a quella del fluido ha una spinta idrostatica inferiore al proprio peso e quindi affonderà. Una nave galleggia perché, sebbene sia costruita in acciaio, che è più denso dell’acqua, racchiude un volume d’aria e la forma che ne risulta ha una densità media inferiore a quella dell’acqua.

Se il peso di un oggetto è inferiore al peso del fluido spostato quando è completamente immerso, allora l’oggetto ha una densità media inferiore a quella del fluido e una spinta idrostatica superiore al proprio peso.

Se il fluido presenta una superficie, come l’acqua di un lago o del mare, l’oggetto galleggerà a un livello tale da spostare una quantità di fluido pari al proprio peso. Se l’oggetto è immerso nel fluido, come un sottomarino sommerso o l’aria contenuta in un pallone, tenderà a salire.

Se l’oggetto ha esattamente la stessa densità del fluido, la sua spinta idrostatica è pari al suo peso. Rimarrà immerso nel fluido, ma non affonderà né galleggerà. Un oggetto con una densità media superiore a quella del fluido ha una spinta idrostatica inferiore al proprio peso e quindi affonderà.

Una nave galleggia anche se è fatta di acciaio (che è molto più denso dell’acqua), perché racchiude un volume d’aria (che è molto meno densa dell’acqua) e la forma che ne risulta ha una densità media inferiore a quella dell’acqua.

Una nave galleggia grazie alla spinta idrostatica, come descritto dal principio di Archimede.

• Cilindro graduato, forma alta con beccuccio. Capacità 100 x 1 ml, vetro borosilicato — MEC-001
• Asta con gancio, diametro 10 mm, lunghezza 127 mm — MEC-034
• Bilancia a molla tubolare, in plastica (dinamometro), campo di misura 2,5 N — MEC-015
• Masse cilindriche con gancio (10, 25, 50 g) — MEC-018, MEC-019, MEC-020
• Coloranti alimentari — MEC-057

• Da quale proprietà fisica dipende la spinta idrostatica prevista dal principio di Archimede?
• Si dice che un corpo immerso in un liquido sia in equilibrio quando la spinta idrostatica è maggiore, minore o esattamente uguale al suo peso?
• La spinta idrostatica è una forza che ha la stessa direzione del peso. Quale direzione dovrebbe avere?
• In base a quanto avete osservato in questo esperimento, ed estendendo queste considerazioni ai fluidi, i corpi con una densità inferiore a quella dell’aria galleggeranno, saranno spinti verso l’alto o cadranno per effetto della gravità?