Pressione nei fluidi

La pressione indica quanto intensamente una forza è concentrata su una superficie. In un fluido in quiete, la pressione agisce in tutte le direzioni e aumenta con la profondità, perché gli strati più profondi sostengono una maggiore quantità di fluido sovrastante.

La pressione è forza per unità di area

p = F⊥/A e 1 Pa = 1 N m⁻²

Solo la componente della forza perpendicolare alla superficie contribuisce direttamente alla pressione. La stessa forza applicata su un’area più piccola produce una pressione maggiore: per questo un ago appuntito penetra più facilmente di un oggetto smussato.

In un fluido in quiete, la pressione in un punto non ha una direzione privilegiata: una piccola superficie posta in quel punto subisce una forza di pressione normale qualunque sia il suo orientamento.

È diverso da un singolo vettore forza. La pressione è un campo scalare; la direzione della forza su una superficie deriva dalla normale alla superficie. Le superfici curve ricevono quindi forze di pressione in molte direzioni, un aspetto importante per la spinta idrostatica e per la progettazione dei recipienti in pressione.

La pressione aumenta con la profondità

superficie p₀ pressione minore pressione maggiore profondità h
In un liquido fermo e di densità uniforme, la pressione cresce linearmente con la profondità. I punti alla stessa profondità nello stesso fluido connesso hanno la stessa pressione.

Per un liquido di densità ρ approssimativamente costante, la differenza di pressione tra la superficie e un punto alla profondità h è:

Δp = ρgh, quindi p = psuperficie + ρgh

Il risultato dipende da profondità, densità e gravità, non dalla forma del recipiente.

Pressione con la profondità

Calcola la pressione relativa Δp = ρgh per un liquido in quiete.

Pressione relativa e pressione assoluta

La pressione assoluta è misurata rispetto al vuoto. La pressione relativa è misurata rispetto alla pressione atmosferica locale. Una lettura di 220 kPa su un manometro per pneumatici significa che la pressione interna è circa 220 kPa sopra quella atmosferica, non che la pressione assoluta sia 220 kPa.

Principio di Pascal e sistemi idraulici

ingresso F₁ uscita F₂ A₁A₂ > A₁la stessa pressione si trasmette nel fluido
Un sistema idraulico scambia spostamento con forza. La pressione si trasmette attraverso il fluido, così un pistone più grande può esercitare una forza maggiore muovendosi per una distanza minore.

Una variazione di pressione applicata a un fluido confinato e quasi incomprimibile si trasmette in tutto il fluido. Per pistoni alla stessa altezza, un sistema idraulico ideale soddisfa F₁/A₁ = F₂/A₂.

La forza maggiore non crea energia gratuita: il pistone piccolo si sposta di più. Idealmente, il lavoro in ingresso F₁d₁ è uguale al lavoro in uscita F₂d₂.

Ipotesi della formula semplice con la profondità

La relazione p = p₀ + ρgh assume un fluido in quiete e una densità quasi costante. Funziona molto bene per profondità moderate nei liquidi. Nei gas, su grandi intervalli di quota, la densità cambia sensibilmente e serve un modello più completo.

I fluidi in movimento introducono un altro effetto. Lungo una linea di corrente, per un flusso stazionario, incomprimibile e con viscosità trascurabile, l’equazione di Bernoulli collega pressione, velocità e quota: p + ½ρv² + ρgy = costante. Questo non significa che «più veloce» implichi sempre «pressione più bassa» in qualunque flusso: contano le ipotesi e i punti messi a confronto.

Esempi svolti

1. Forza su una piccola area

Una forza di 600 N è distribuita uniformemente su 0,020 m². Quale pressione produce?

Soluzione

p = F/A = 600/0,020 = 3,0 × 10⁴ Pa = 30 kPa.

2. Pressione dell’acqua in profondità

Calcola la pressione relativa 12 m sotto la superficie dell’acqua dolce, assumendo ρ = 1000 kg m⁻³.

Soluzione

Δp = ρgh = 1000 × 9,81 × 12 = 1,18 × 10⁵ Pa, circa 118 kPa.

3. Sollevatore idraulico

Un pistone piccolo ha area 4,0 cm² e uno grande 200 cm². Se sul pistone piccolo si applicano 80 N, quale forza ideale è disponibile in uscita?

Soluzione

F₁/A₁ = F₂/A₂, quindi F₂ = 80 × (200/4,0) = 4000 N. Nei sistemi reali una parte dell’energia viene dissipata dall’attrito e dagli effetti del fluido.