La legge del galleggiamento di Archimede, nota come principio di Archimede, stabilisce che un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato, dove la spinta esercitata dal fluido è una forza detta spinta di Archimede, o anche spinta idrostatica. Perché una barca galleggia sull’acqua e non va a fondo? La legge appena enunciata, ci permette di comprendere la logica del galleggiamento dei corpi, che siano immersi parzialmente o completamente in qualsiasi fluido, liquido o gas, aiutandoci a capire in che modo le nostre imbarcazioni riescano a navigare.
Gli esperimenti sulla spinta di Archimede: eureka!
Vissuto nel III secolo a.C., Archimede è nato e morto a Siracusa, in Sicilia ed è considerato uno dei più grandi scienziati e matematici della storia, grazie ai suoi contributi che hanno portato ad enormi passi in avanti in settori che vanno dalla geometria fino all’idrostatica.
La vita di Archimede viene raccontata da molti storici, che ne riportano diversi aneddoti. Vitruvio, ad esempio, spiega che si sarebbe iniziato ad occupare di idrostatica perché il sovrano Gerone II gli avrebbe chiesto di stabilire se una corona fosse stata realizzata in oro puro oppure con altri metalli. Il matematico avrebbe di fatto risolto la questione facendosi un bagno e notando che immergendosi nell’acqua si verificava un aumento del livello di quest’ultima. Secondo una ricostruzione tardoantica, a quel punto Archimede avrebbe suggerito di pesare la corona e un quantitativo di oro di peso uguale, immergendo entrambi nell’acqua.
Qualora la corona fosse stata d’oro puro, la bilancia sarebbe stata in equilibrio: poiché, invece, la bilancia si abbassò dalla parte dell’oro, ne dedusse che, essendo pari i pesi, la corona aveva subito una spinta idrostatica maggiore avendo un volume maggiore, implicando dunque che questa fosse stata fabbricata con altri metalli, in quanto questi presentano una densità minore dell’oro.
Secondo le fonti, la scoperta avrebbe dato origine a quell’esclamazione a lui attribuita nei secoli, ovvero èureka! (εὕρηκα! – ho trovato!), pronunciata dopo la scoperta sul principio di galleggiamento dei corpi.
Cosa dice il principio di Archimede sul galleggiamento?
Una deduzione importante sullo studio della spinta idrostatica è che questa agisce esattamene nel centro di gravità del volume immerso, in direzione verticale. Semplificando, il comportamento del solido dipende da due fattori: il primo è il peso, che agisce dall’alto verso il basso; il secondo è, appunto, la spinta idrostatica, uguale al peso del liquido spostato dal corpo, che agisce dal basso.
Affinché un corpo galleggi o, nel nostro caso, un barca, è necessario, dunque, che questa sposti una quantità di acqua di peso uguale o maggiore al proprio. Questo è il motivo per cui una nave resta a galla mentre una semplice monetina affonda: perché una nave ha una dimensione che permette di spostare una quantità di volume pari al suo peso, che non accade invece con la moneta.
Gli strumenti necessari per un esperimento sono:
- dinamometro di portata 1N e sensibilità 0,01 N
- cilindro graduato in cm3
- becker
- tre oggetti di massa diversa e di forma tale da poter essere immersi
La formula della spinta di Archimede
Si tratta di un argomento di fisica fondamentale molto richiesto nelle scuole. Essendo la spinta pari alla forza peso e poiché la forza peso è legata alla massa tramite la relazione m·g, la formula della spinta di Archimede sarà ml·g, in cui g rappresenta l’accelerazione di gravità, che equivale sulla terra a circa 9,81N/kg: per questo motivo la spinta di Archimede è pari al prodotto tra la massa del liquido spostato e la gravità.
Tuttavia, siccome nell’enunciato del principio di Archimede si parla di volume, bisogna ricorrere alla densità, che mette in relazione massa e volume. Essendo che la massa si ricava moltiplicando la densità per il volume, la nostra formula andrà modificata in questa maniera: SA = dl·V·g.
Il principio di Archimede nella nautica
Entrando in un porto è facile notare alcuni segni strani sulle fiancate delle navi. Con questi simboli, sarà possibile per l’equipaggio e per il capitano conoscere il peso della nave ed il suo carico in base all’immersione.
La questione è un po’ più complessa a dire il vero, essendo che le variazioni di temperatura dell’acqua si riflettono poi sul volume di carena. Esistono perciò diverse definizioni del bordo libero, come per esempio quello tropicale, estivo o invernale, o ancora la tolleranza per galleggiamento in acqua dolce, eccetera.
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Anche per una semplice unità da diporto, che possa venir impegnata in un tragitto molto lungo, può essere utile la tracciatura di questi segni sullo scafo, con una previa calibratura per volumi di carena progressivamente crescenti. Questo aiuterà non poco l’equipaggio, che saprà con esattezza quale sia lo stato di carico della barca in ogni momento. Questo richiede un lavoro estremamente preciso nel tracciare le linee di carico, avendo la carena una forma pisciforme, che si differenzia da quella tipica delle navi mercantili, che è per lo più quasi completamente rettangolare.
Laureando in Storia e Politica internazionale e aspirante giornalista. Sono molto sensibile alle tematiche ambientali e alla ecosostenibilità, oltre ad amare le lunghe passeggiate al mare il mattino presto.