Peso di una colonna d'aria
Buongiorno.
Mi stavo chiedendo, leggendo uno svolgimento per ricavare la legge di Stevino, il significato del "peso di una colonna di fluido".
La domanda vale sia per quanto concerne i gas che i liquidi. Le particelle di gas sono sospese nell'aria, quindi non costituiscono un corpo omogeneo posato sopra una superficie. Dunque quale è il motivo per cui parliamo di "peso di una colonna d'aria" e non semplicemente della pressione ad essa dovuta? Anche se le particelle sono migliaia, come fanno quelle in prossimità della superficie a trasmettere il peso di tutte le particelle sovrastanti nella colonna d'aria, urtandola occasionalmente? La particella che urta la superficie provoca una pressione proprio nel rispetto della teoria cinetica dei gas. A tale pressione si deve intendere come sommata una "pressione di forza peso" di tutte le particelle? In tal caso non avremmo il peso della colonna d'aria, ma la somma di pressione di agitazione termica e pressione di forza peso. Nel caso dell'acqua i legami sono più forti, ma la mia domanda si pone anche in questo caso.
Mi stavo chiedendo, leggendo uno svolgimento per ricavare la legge di Stevino, il significato del "peso di una colonna di fluido".
La domanda vale sia per quanto concerne i gas che i liquidi. Le particelle di gas sono sospese nell'aria, quindi non costituiscono un corpo omogeneo posato sopra una superficie. Dunque quale è il motivo per cui parliamo di "peso di una colonna d'aria" e non semplicemente della pressione ad essa dovuta? Anche se le particelle sono migliaia, come fanno quelle in prossimità della superficie a trasmettere il peso di tutte le particelle sovrastanti nella colonna d'aria, urtandola occasionalmente? La particella che urta la superficie provoca una pressione proprio nel rispetto della teoria cinetica dei gas. A tale pressione si deve intendere come sommata una "pressione di forza peso" di tutte le particelle? In tal caso non avremmo il peso della colonna d'aria, ma la somma di pressione di agitazione termica e pressione di forza peso. Nel caso dell'acqua i legami sono più forti, ma la mia domanda si pone anche in questo caso.
Risposte
Potrei rispondere in tanti modi, ma siccome so già che questa discussione andrà avanti abbastanza , per ora mi limito a dire questo : le particelle d'aria ( meglio, di un gas) hanno una massa. La forza di attrazione gravitazionale della Terra si esercita su qualunque particella dotata di massa .
Ergo : l'aria pesa. La Terra è in grado di trattenere la propria atmosfera, che si estende per qualche centinaio di km . Altri corpi celesti non sono in grado di trattenerla, perché il campo gravitazionale è troppo debole.
Ma ti dirò di più : anche le stelle come il Sole , palle gassose dove avvengono fenomeni nucleari (nel Sole, essenzialmente trasformazione di idrogeno in elio) , sono tenute insieme dalla gravità. C'è una "lotta continua" tra la gravità e le forze di pressione che vorrebbero far esplodere la stella: dopotutto, si tratta di gas riscaldati ad altissima temperatura. Le condizioni di equilibrio ogni tanto si modificano, e trovano un nuovo aggiustamento.
Sono questioni complesse di astrofisica, in cui entrano in gioco anche fatti come la struttura degli atomi , per esempio il principio di esclusione di Pauli, per dirne una.
E tali questioni sono state capite solo nel 20°secolo, con l'avvento delle due principali teorie della fisica moderna. E qualche fisico rinomato non le aveva neppure capite a fondo.
Qui c'è qualche informazione già importante
Ergo : l'aria pesa. La Terra è in grado di trattenere la propria atmosfera, che si estende per qualche centinaio di km . Altri corpi celesti non sono in grado di trattenerla, perché il campo gravitazionale è troppo debole.
Ma ti dirò di più : anche le stelle come il Sole , palle gassose dove avvengono fenomeni nucleari (nel Sole, essenzialmente trasformazione di idrogeno in elio) , sono tenute insieme dalla gravità. C'è una "lotta continua" tra la gravità e le forze di pressione che vorrebbero far esplodere la stella: dopotutto, si tratta di gas riscaldati ad altissima temperatura. Le condizioni di equilibrio ogni tanto si modificano, e trovano un nuovo aggiustamento.
Sono questioni complesse di astrofisica, in cui entrano in gioco anche fatti come la struttura degli atomi , per esempio il principio di esclusione di Pauli, per dirne una.
E tali questioni sono state capite solo nel 20°secolo, con l'avvento delle due principali teorie della fisica moderna. E qualche fisico rinomato non le aveva neppure capite a fondo.
Qui c'è qualche informazione già importante
Buongiorno Navigatore.
Ho già iniziato a leggere il tuo link. Prima di continuare vorrei esprimere un mio ragionamento sul fatto che l'aria, anche se fatta di particelle fluttuanti, risulta pesare.
Vorrei iniziare da un esperimento che vidi in tv nel programma "Mythbusters". Forse lo conosci.
Si consideri un camion, nella cui stiva vi sia uno stormo di piccioni poggiati a terra. Il camion è posato sopra una bilancia.
Se all'interno della stiva i piccioni iniziano a volare, il camion pesa di meno? Moltissimi direbbero di si. Hanno invece dimostrato che il peso non cambia. Pare cioè che, in opportune condizioni, il fatto che i piccioni battano le ali per restare in volo faccia si che la pioggia di particelle d'aria che impatta il suolo della stiva trasmette il loro stesso peso.
Vorrei a questo punto sostituire ai piccioni le particelle di aria stesse.
Prendiamo una colonna di vetro che contenga un gas qualunque. Se al di sotto della colonna abbiamo un barometro, dovremmo misurare una pressione che dipende dal peso della colonna d'aria.
Allora per un attimo vorrei unirmi a tutti quelli che direbbero "Aspetta, le particelle di gas si urtano a vicenda e sono sospese in aria, quindi il barometro non può avvertire il loro peso, semplicemente perchè non sono poggiate a terra!"
Io ho pensato che la risposta stia negli urti stessi. Se è vero che il peso dei piccioni era avvertito comunque dalla bilancia anche quando volavano, allora forse nel fenomeno degli urti è contenuta anche la "trasmissione" della forza peso fino al fondo della colonna di gas. In pratica le ultime particelle a toccare il suolo trasmettono l'informazione del peso.
Ha senso?
Ho già iniziato a leggere il tuo link. Prima di continuare vorrei esprimere un mio ragionamento sul fatto che l'aria, anche se fatta di particelle fluttuanti, risulta pesare.
Vorrei iniziare da un esperimento che vidi in tv nel programma "Mythbusters". Forse lo conosci.
Si consideri un camion, nella cui stiva vi sia uno stormo di piccioni poggiati a terra. Il camion è posato sopra una bilancia.
Se all'interno della stiva i piccioni iniziano a volare, il camion pesa di meno? Moltissimi direbbero di si. Hanno invece dimostrato che il peso non cambia. Pare cioè che, in opportune condizioni, il fatto che i piccioni battano le ali per restare in volo faccia si che la pioggia di particelle d'aria che impatta il suolo della stiva trasmette il loro stesso peso.
Vorrei a questo punto sostituire ai piccioni le particelle di aria stesse.
Prendiamo una colonna di vetro che contenga un gas qualunque. Se al di sotto della colonna abbiamo un barometro, dovremmo misurare una pressione che dipende dal peso della colonna d'aria.
Allora per un attimo vorrei unirmi a tutti quelli che direbbero "Aspetta, le particelle di gas si urtano a vicenda e sono sospese in aria, quindi il barometro non può avvertire il loro peso, semplicemente perchè non sono poggiate a terra!"
Io ho pensato che la risposta stia negli urti stessi. Se è vero che il peso dei piccioni era avvertito comunque dalla bilancia anche quando volavano, allora forse nel fenomeno degli urti è contenuta anche la "trasmissione" della forza peso fino al fondo della colonna di gas. In pratica le ultime particelle a toccare il suolo trasmettono l'informazione del peso.
Ha senso?
Da poco Faussone ti ha risposto a proposito della portanza degli aerei; il flusso d'aria viene deviato in basso , giusto?
Quindi l'aria deviata dalle ali dei piccioni verso il basso urta il fondo del cassone, ( mettiamola così, in maniera semplice! ) , è tutti gli urti messi insieme danno luogo alla forza che si trasmette alla bilancia come peso.
Anch'io conoscevo la storiella dei piccioni in volo in un cassone, ma in un'altra forma. Un camion, che porta un cassone chiuso pieno di uccelli, posati su vari appigli, deve attraversare un fiume su un ponte di liane, ma portroppo il ponte è proporzionato per sopportare un peso lievemente inferiore a quello del camion carico. Allora il camionista pensa che se fa alzare in volo gli uccelli nel cassone il camion alla fine peserà di meno , e quindi il ponte sarà in grado di sopportare il transito : quindi al momento dell'attraversamento grida spaventando gli uccelli che si alzano in volo …..
Ma purtroppo il ponte di liane crolla lo stesso. LA massa contenuta nel cassone è costante, e ha un certo peso. Hai voglia a far volare gli uccelli !
Del resto, se nel cassone chiuso ci fosse solo un piccolo elicottero, sarebbe sufficiente far volare l'elicottero per diminuire il peso? No, certo ! Le pale dell'elicottero spingono in giù la colonna d'aria , che colpisce il fondo, e quindi il peso resta costante.
Si, quello che dici ha senso.
D'altronde pensa all'esperienza di Torricelli sul barometro a mercurio : è l'aria che pesa sulla superficie libera del mercurio nella vaschetta, a far equilibrio alla colonna di mercurio alta 760 mm che sta nel tubo verticale.
Quindi l'aria deviata dalle ali dei piccioni verso il basso urta il fondo del cassone, ( mettiamola così, in maniera semplice! ) , è tutti gli urti messi insieme danno luogo alla forza che si trasmette alla bilancia come peso.
Anch'io conoscevo la storiella dei piccioni in volo in un cassone, ma in un'altra forma. Un camion, che porta un cassone chiuso pieno di uccelli, posati su vari appigli, deve attraversare un fiume su un ponte di liane, ma portroppo il ponte è proporzionato per sopportare un peso lievemente inferiore a quello del camion carico. Allora il camionista pensa che se fa alzare in volo gli uccelli nel cassone il camion alla fine peserà di meno , e quindi il ponte sarà in grado di sopportare il transito : quindi al momento dell'attraversamento grida spaventando gli uccelli che si alzano in volo …..
Ma purtroppo il ponte di liane crolla lo stesso. LA massa contenuta nel cassone è costante, e ha un certo peso. Hai voglia a far volare gli uccelli !
Del resto, se nel cassone chiuso ci fosse solo un piccolo elicottero, sarebbe sufficiente far volare l'elicottero per diminuire il peso? No, certo ! Le pale dell'elicottero spingono in giù la colonna d'aria , che colpisce il fondo, e quindi il peso resta costante.
Si, quello che dici ha senso.
D'altronde pensa all'esperienza di Torricelli sul barometro a mercurio : è l'aria che pesa sulla superficie libera del mercurio nella vaschetta, a far equilibrio alla colonna di mercurio alta 760 mm che sta nel tubo verticale.
Ok perfetto.
Quando si parla di gas entrano in gioco delle stime statistiche, quindi molto spesso cercare di ragionare sulla trasmissione del peso può essere complesso ed era per questo motivo che non mi ritrovavo.
Per quanto riguarda Torricelli, quando enunciamo "peso di una colonna di aria sopra il mercurio" in realtà stiamo trascurando che l'aria avrà una certa agitazione termica. In altre parole, sul fondo della colonna agirà la pressone dovuta al peso della massa di aria, ma anche una certa pressione dovuta all'energia cinetica del gas. Forse il peso percepito è molto maggiore che non la pressione data solo dalle particelle impattanti e dovuta alla energia cinetica da loro detenuta per motivi termici?
In altre parole, se scaldiamo la colonna di aria sopra il mercurio, il suo peso subisce modifiche? Ad esempio in un sistema chiuso l'intensità degli urti aumenterà. Incrementando molto la temperatura potremmo quindi misurare una pressione ben lontana da quella relativa al peso della massa di aria?
Quando si parla di gas entrano in gioco delle stime statistiche, quindi molto spesso cercare di ragionare sulla trasmissione del peso può essere complesso ed era per questo motivo che non mi ritrovavo.
Per quanto riguarda Torricelli, quando enunciamo "peso di una colonna di aria sopra il mercurio" in realtà stiamo trascurando che l'aria avrà una certa agitazione termica. In altre parole, sul fondo della colonna agirà la pressone dovuta al peso della massa di aria, ma anche una certa pressione dovuta all'energia cinetica del gas. Forse il peso percepito è molto maggiore che non la pressione data solo dalle particelle impattanti e dovuta alla energia cinetica da loro detenuta per motivi termici?
In altre parole, se scaldiamo la colonna di aria sopra il mercurio, il suo peso subisce modifiche? Ad esempio in un sistema chiuso l'intensità degli urti aumenterà. Incrementando molto la temperatura potremmo quindi misurare una pressione ben lontana da quella relativa al peso della massa di aria?
Beh, naturalmente spesso (quasi sempre!) ci dimentichiamo di dire che l'esperimento di T. va fatto in determinate condizioni di temperatura e di pressione, che devono essere sempre le stesse per ottenere gli stessi risultati .
http://www.bisceglia.eu/chimica/lab/pressio.html
se l'aria è a temperatura maggiore, la densità è inferiore, quindi il risultato è diverso: la pressione è minore.
MA su una cosa dovresti fare mente locale: la spinta di Archimede , che subisce anche un corpo in aria. Un palloncino di gomma dei bambini, gonfiato con un gas "più leggero" dell'aria (cioè meno denso) , vola via. Se lo gonfi con la bocca no, non vola via.
I palloni gonfiati volano! Ma non sempre, spesso rimangono qui su questa terra, come ben sappiamo!
http://www.bisceglia.eu/chimica/lab/pressio.html
se l'aria è a temperatura maggiore, la densità è inferiore, quindi il risultato è diverso: la pressione è minore.
MA su una cosa dovresti fare mente locale: la spinta di Archimede , che subisce anche un corpo in aria. Un palloncino di gomma dei bambini, gonfiato con un gas "più leggero" dell'aria (cioè meno denso) , vola via. Se lo gonfi con la bocca no, non vola via.
I palloni gonfiati volano! Ma non sempre, spesso rimangono qui su questa terra, come ben sappiamo!
Va bene. Ti ringrazio per questo confronto. Buona serata 
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