LO SCIENTIFICO DEL KEYNES DI CASTEL MAGGIORE SPERIMENTA LA FLUIDODINAMICA
Vogliamo capire cosa succede ad un flusso di fluido quando incontra una superficie curva. Per fare ciò, consideriamo un leggero flusso di un fluido, ad esempio un flusso d’acqua da un rubinetto:
Cosa succede se avviciniamo un superficie curva, ad esempio un cucchiaio? Osserviamolo attraverso questo piccolo esperimento fatto nel laboratorio di Fisica dell’I.I.S.S. J. M. Keynes di Castel Maggiore (BO):
Quando l’acqua tocca il cucchiaio, il maggior attrito vicino alla superficie del cucchiaio rallenta quella lamina del flusso. Anche la lamina successiva risentirà di questo rallentamento ma più ci si allontana dal cucchiaio e più questo effetto diminuisce. La velocità delle varie linee di flusso varia comunque con continuità.
A conferma di questo esperimento, possiamo farne un altro con un flusso d’aria all’interno di una cannuccia o meglio all’interno di una penna vuota. Quest’ultima è da preferire perché ha un’estremità con sezione minore; infatti, dall’equazione di continuità sappiamo che:
A1 v1 = A2 v2
Quindi, se diminuisce la sezione aumenta la velocità del flusso d’aria.
Tale tipo di flusso ha un problema rispetto all’acqua: non è visibile! Come risolvere questo problema? O mediante del fumo artificiale o in maniera più semplice mediante un filo per cucire posto all’interno della penna. Visualizziamo tale flusso all’interno del laboratorio di Fisica dell’Istituto J.M. Keynes di Castel Maggiore:
Se avviciniamo una superficie curva, come ad esempio una bottiglietta d’acqua o un bicchiere osserviamo che il flusso d’aria si incurva seguendo la superficie stessa:
Per comprendere meglio questo fenomeno, utilizzeremo il terzo principio della dinamica noto anche come principio di azione e reazione. Anche in questo caso utilizzeremo un semplice esperimento condotto nel laboratorio di Fisica dell’Istituto J.M. Keynes di Castel Maggiore (BO). Utilizziamo un penna bic, un filo colorato e un bicchiere bianco (oppure un filo bianco e un bicchiere colorato). Poggiamo il bicchiere a testa in giù su un tavolo, in questo modo la sua base maggiore consente un migliore equilibrio rispetto al ribaltamento. Poniamo dietro il bicchiere un ostacolo (ad es. un libro o un quadernone) che vincoli il bicchiere a muoversi soltanto orizzontalmente. Inseriamo il filo nella penna (per visualizzare il flusso) e soffiamo su un lato del bicchiere (ad es. il destro). Il flusso d’aria curverà verso sinistra alle spalle del bicchiere; cioè una massa d’aria con una certa velocità si sposta verso sinistra e per il principio di azione e reazione il bicchiere si sposterà verso destra:
Dal punto di vista dell’equazione di Bernoulli sappiamo che:
p1 + ½ ρ v1² + ρ g h1 = p2 + ½ ρ v2² + ρ g h2
dove l’altezza a sinistra e a destra del bicchiere è la stessa (h1 = h2); sul lato sinistro (pedice 1) c’è la pressione atmosferica e la velocità dell’aria è 0, sul lato destro la velocità dell’aria è quella impressa soffiando all’interno di una penna. L’equazione di Bernoulli si riduce a:
p1 (atm) = p2 + ½ ρ v2²
Se sul lato destro del bicchiere (pedice 2) la velocità è diversa da zero, vuol dire che la pressione sul lato destro sarà più bassa di quella atmosferica:
p2 = p1 (atm) – ½ ρ v2²
Poiché la pressione sul lato destro, dove viene soffiata aria, è più bassa, il bicchiere viene spinto verso destra.
Questo flusso d’aria che segue una superficie di contatto, se viene applicato su tutta una superficie simmetrica, come ad esempio una pallina di polistirolo (o da ping pong), crea una specie di regione di confinamento come mostrato in questo video realizzato nel laboratorio di Fisica dell’Istituto J.M. Keynes di Castel Maggiore (BO):
In pratica, il flusso d’aria che scorre sul lato destro della pallina (e che si incurva verso sinistra) spinge la pallina verso destra; il flusso d’aria che scorre sul lato sinistro (e che si incurva verso destra) spinge la pallina verso sinistra creando un “certo” equilibrio.
Cosa succede se il phon si sposta verso sinistra? Si crea una situazione non più simmetrica: il flusso d’aria si sposta verso sinistra e si verifica una temporanea maggiore bassa pressione a sinistra della pallina; essa verrà quindi spinta verso sinistra e seguirà il phon; tale asimmetria termina quando ci fermiamo con il phon. Vediamo tale esperimento realizzato nel laboratorio di Fisica dell’Istituto J.M. Keynes di Castel Maggiore (BO):
Per visualizzare gli effetti della velocità di un fluido sulla pressione, si può prendere un foglio di carta tenuto mediante pollice ed indice di entrambe le mani in modo che il foglio sia piegato come il seguente:
Cosa succede se si soffia sulla parte inferiore del foglio? Poiché il foglio viene spinto, si solleverà. Questa risposta è abbastanza scontata. Cosa succede se si soffia sopra il foglio?
A questa domanda gli allievi rimangono sempre sorpresi. Soffiando forte sul foglio, esso si solleva:
Anche in questo caso, utilizzando l’equazione di Bernoulli, la spiegazione è semplice: se sulla parte superiore del foglio l’aria ha una certa velocità, la sua pressione sarà più bassa di quella atmosferica. Ciò produrrà uno spostamento d’aria dal basso verso l’alto (da una zona ad alta pressione verso una zona a bassa pressione) e tale spostamento d’aria solleverà il foglio.
Un ultimo esperimento sull’equazione di Bernoulli può essere svolto utilizzando un piccolo imbuto ed una pallina leggera (di polistirolo o da ping pong). Si prende un imbuto capovolto, si mantiene la pallina dentro l’imbuto
e si chiede agli studenti: cosa succede se si toglie la mano con cui si sorregge la pallina? La risposta è banale: cade per la forza di gravità.
Cosa succede se si aspira aria dall’imbuto e si toglie la mano? Anche tale risposta è scontata: la pallina non cade.
Cosa succede se si soffia nell’imbuto e si toglie la mano sotto la pallina? La risposta a tale domanda genera perplessità. Qualcuno potrebbe rispondere che la pallina cade con maggiore velocità perché è spinta, ma non è così. Vediamo l’esperimento:
Soffiando nella parte alta della pallina si genera una bassa pressione (per l’equazione di Bernoulli) e quindi la pressione esterna sulla parte inferiore della pallina spinge tale pallina verso l’alto bilanciando la forza di gravità.
