Il peso dell’aria

Il peso dell’aria

In ogni momento della giornata incombe su di noi l’atmosfera, che esercita un peso di 10 tonnellate su ogni metro quadro di superficie. Descrivendo le implicazioni della propria scoperta, Evangelista Torricelli affermò dunque giustamente che viviamo sul fondo di un “pelago d’aria”.
La forza di gravità infatti, cui niente e nessuno può sfuggire, agisce anche sulle molecole dell’aria. Esse acquisiscono così un peso, esercitando di conseguenza sulla superficie della Terra una pressione di 1 kg per cm².
Il processo che portò alla scoperta della pressione atmosferica e delle molteplici conseguenze che ne derivano costituisce un’affascinante avventura che si è consumata nell’arco di pochi decenni, a partire dall’esperimento di Torricelli del 1644. In quei decenni, per dimostrare che l’aria pesa e che il vuoto esiste scesero in campo alcuni dei protagonisti più straordinari della Rivoluzione Scientifica.

La pressione atmosferica si esercita in ogni direzione. Quindi, sui diversi punti di ogni superficie si esercitano pressioni verticali e orizzontali.Analogamente a quanto avviene per un corpo immerso in un liquido, la risultante delle diverse pressioni è una spinta verticale dal basso verso l’alto uguale al peso dell’aria spostata. La pressione dell’aria non ha dunque come unico effetto lo schiacciamento dei corpi, ma ne può anche determinare il sollevamento, con una forza che è solitamente di debole intensità, dato che la loro massa è quasi sempre maggiore rispetto a quella dell’aria spostata. Un’applicazione di questo principio si osserva nei palloni aerostatici, i quali ascendono in virtù della loro minore massa rispetto a quella di un eguale volume d’aria.

D’altra parte, la pressione atmosferica non stritola i corpi perché essa è controbilanciata da un’eguale pressione interna. Nel vuoto insomma un essere umano esploderebbe, dato che la sua pressione interna non troverebbe più il bilanciato contrasto della pressione atmosferica.

Nonostante sembri impalpabile, l’aria che ci circonda può sostenere aerei da carico e sventrare edifici. Che cosa le fornisce una consistenza maggiore di quella percepibile dai nostri sensi? L’aria contiene un incredibile numero di molecole: circa 25 miliardi di miliardi per cm³. In uno spazio di dimensioni pari alla capocchia di uno spillo si trova un numero di molecole milioni di volte superiore a quello degli abitanti del nostro pianeta.
Le molecole d’aria (che è composta al 99% di azoto e ossigeno) si muovono instancabilmente alla velocità di 450 metri al secondo (superiore alla velocità del suono) e ciascuna molecola urta le altre 5 miliardi di volte al secondo. La pressione di un gas deriva dagli urti delle molecole. È per questo motivo che i miliardi di molecole che premono, ad esempio, all’interno delle pareti di un pneumatico, forniscono una spinta sufficiente a sostenere il peso di un autocarro. Il movimento di queste molecole e, quindi, la loro pressione aumentano sensibilmente con l’aumentare della temperatura: è questo uno dei principi basilari della termodinamica.

La densità dell’aria decresce con l’altezza, cioè al diminuire della pressione atmosferica cui le molecole d’aria sono sottoposte.
Al livello del mare ogni metro cubo d’aria contiene una massa di circa 1,25 Kg. A 5000 metri (circa l’altezza del Monte Bianco) tale massa scende a 0,75 Kg/m³ e a 9000 metri (approssimativamente l’altezza dell’Everest) si riduce a 0,47 Kg/m³. A 18.000 metri (quota di crociera del Concorde) ha ormai una densità più di 10 volte minore che a livello del mare, cioè 0,123 Kg/m³. A questa altitudine la respirazione è impossibile.
La pressione atmosferica diminuisce inoltre con la velocità di spostamento dell’aria. Secondo il principio scoperto dal fisico svizzero Daniel Bernoulli (1700-1782), più veloce è un gas minore è la sua pressione. Questo principio è alla base della costruzione di macchine capaci di volare. Infatti la forma delle ali di un aereo è tale da rendere più veloce lo scorrimento dell’aria nella parte superiore: dunque la pressione sulla parte inferiore delle ali è maggiore che su quella superiore, generando di conseguenza una forza diretta verso l’alto che sostiene l’aeromobili.

Il barometro è lo strumento che consente di “pesare” l’aria. Il suo funzionamento è simile a quello di una bilancia: la colonna di mercurio è infatti contrappesata dalla pressione esercitata dall’aria sulla vaschetta piena di mercurio. Torricelli scoprì nel 1644 che il livello del mercurio contenuto in un tubo, chiuso ad un’estremità, capovolto e rovesciato in una vaschetta di mercurio, si abbassava solo parzialmente perché era controbilanciato dalla pressione dell’aria sulla vaschetta. Egli scoprì anche che l’altezza della colonna di mercurio variava, alla medesima altitudine, al variare della temperatura. Grazie a questa osservazione, fu possibile successivamente mettere a punto il termometro a mercurio. Al livello del mare, alla temperatura di 0°C e alla latitudine di 45°, il livello del mercurio nella colonnina si mantiene ad una altezza di circa 76 cm, mentre sulla cima di una montagna alta 2500 metri si attesta al livello di soli 57 cm.

La misurazione della pressione atmosferica rappresenta un indicatore fondamentale per la previsione del tempo meteorologico. Il barometro, che derivò direttamente dal tubo torricelliano, costituisce infatti da oltre due secoli e mezzo lo strumento fondamentale per prevedere e misurare i mutamenti climatici e le variazioni di temperatura che ne conseguono.

Una zona a bassa pressione attira un flusso d’aria proveniente dalle regioni adiacenti a pressione ordinaria, creando tempo perturbato; in una zona ad alta pressione il tempo è invece tendenzialmente stabile. Di conseguenza, quando il livello del mercurio scende nel barometro significa che si sta avvicinando una perturbazione, mentre un innalzamento della colonna di mercurio indica bel tempo.

La pressione, misurata convenzionalmente in millibar (mb), corrisponde, a livello del mare, mediamente a 1013 mb., per scendere a 700 mb. alla quota di 3000 metri. Alla quota di volo di molti aerei di linea (9000 metri) la pressione atmosferica diminuisce fino a 300 mb., mentre a 21000 metri scende a circa 40 mb.

L’esperimento torricelliano del 1644 permise di evidenziare la pressione atmosferica e di dimostrare l’esistenza del vuoto.
Torricelli si convinse infatti che la parte superiore chiusa del tubo lasciata libera dalla discesa del mercurio doveva essere vuota. Era la prima volta che il vuoto veniva affermato non su base puramente speculativa ma col sostegno di una convincente evidenza sperimentale. Naturalmente, il vuoto torricelliano non era un vuoto perfetto, perché nello spazio del tubo lasciato libero per la discesa del mercurio rimanevano i vapori del metallo. Bastarono tuttavia dieci anni perché, grazie all’invenzione delle pompe da vuoto, si riuscisse a creare livelli via via più spinti di vuoto, favorendo in tal modo lo sviluppo delle attività sperimentali. Oggi si distinguono vari tipi di vuoto: il vuoto industriale, corrispondente a 0,1 mmHg (1 mmHg=1millimetro di mercurio); il vuoto medio fino a 10-1 mmHg; l’alto vuoto fino a 10-7; e infine l’ultra vuoto, inferiore a 10-7 mmHg.
Particolarmente complesse sono le procedure per produrre gli ultravuoti fino a 10-15 mmHg, necessari per il funzionamento delle macchine acceleratrici a fasci collidenti. Tuttavia anche questi vuoti sono di gran lunga inferiori al vuoto interstellare, che contiene meno di un atomo per cm3.



Categorie:K03- I concetti della Fisica - The Concepts of Physics

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