Il principio di Archimede: La fisica illustrata

Perché una nave galleggia nonostante sia fatta di ferro?

La risposta a questa domanda la dà il principio di Archimede che permette di prevedere se un corpo galleggia oppure no e afferma che: “Un corpo immerso in un fluido (in parte o completamente) riceverà una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del fluido spostato”.

(Fig. A)
Prendiamo un sasso che pesa 5Kg e ha il volume di 1 litro

(Fig. B)
Se lo immergiamo in una caraffa di acqua la bilancia segnerà 4kg: dov'è sparito il chilo che c'era prima?

(Fig. C)
L'oggetto ha il volume di un litro e quindi sposterà un litro di acqua. Ma un litro di acqua pesa esattamente un chilo (cfr. densità della acqua) che si traduce in una spinta verso l'alto che tenderà a far galleggiare il nostro sasso il cui peso risulterà: 5Kg - 1Kg di spinta = 4Kg di peso apparente

Perchè le navi galleggiano?

Amerigo Vespucci: Stazza netta: 1.202,57 t Scafo: in acciaio (lamiere chiodate) a tre ponti definiti di coperta, batteria e corridoio con castello e cassero rispettivamente a prua e poppa. Foto M. Pregliasco

Per prevedere se un materiale galleggia oppure no basta conoscere la sua densità: se e maggiore di quella dell’acqua affonderà.
Un materiale più denso dell’acqua, quando immerso, sposta un volume di liquido che risulta essere più leggero rispetto al proprio peso. Pertanto il materiale non riceve una spinta di galleggiamento sufficiente e affonda.
Al contrario un materiale meno denso dell’acqua sposta un volume di lquido che risulta essere più pesante rispetto al suo peso. Il materiale pertanto riceve una spinta di galleggiamento superiore al proprio peso e galleggia.

Le navi sono costruite in modo da “spostare” un volume d'acqua uguale al loro peso. In pratica, nonostante il ferro sia 7,8 volte più denso dell’acqua, si fa in modo che il volume dello scafo sia sufficiente a garantire la necessaria spinta di galleggiamento a pieno carico. Ciò avviene perché gran parte dell’interno della nave (stiva, cabine, sala macchine) è vuoto, contiene aria, e questo riduce drasticamente la densità complessiva della struttura, al punto da renderla meno densa dell'acqua.

L'oro ha una densità di 19250 Kg/m³ mentre l'argento ha una densità di 10500 Kg/m³

Il re di Siracusa Gerone aveva fatto realizzare un corona d’oro. Aveva però il sospetto che l’orafo avesse mescolato l’oro con l’argento per imbrogliarlo. Archimede fu chiamato per risolvere la questione.

da wikipedia

L’argento è meno denso dell’oro, quindi, a parità di peso, riceve una spinta di galleggiamento più intensa perché occupa un volume maggiore (cioè sposta più acqua quando viene immerso). Pertanto Archimede costruì una bilancia idrostatica a cui appese la corona da una parte, e un oggetto d’oro massiccio dello stesso peso dall’altra. Immersi in acqua i due oggetti, se fatti dello stesso materiale, riceverebbero la stessa spinta di galleggiamento e la bilancia resterebbe in equilibrio. Per sfortuna dell’orafo, la bilancia s’inclinò verso l’oro svelando l’inganno della corona legata con l’argento.

Il nostro uovo  ha un volume di circa  50 ml che è ovviamente anche il volume di liquido spostato se viene immerso in acqua. Ora se questi  50 ml di acqua  pesano meno dell’uovo, per il principio di Archimede ,  la spinta verso l’alto è insufficiente e l’uovo affonda;  ed è proprio quello che succede normalmente (vedi figura a sinistra).

Se non possiamo alleggerire l’uovo è possibile “appesantire”  l’acqua, o, in termini più scientifici, renderla più densa di modo che lo stesso volume pesi di più e fornisca la spinta di galleggiamento  al nostro uovo ?

La risposta è si, basta aggiungere un congruo volume di sale che sciogliendosi farà aumentare la densità  dell’acqua: ora i nostri 50ml di acqua eguaglieranno  o supereranno  il peso dell’uovo che comincerà a galleggiare (figura a destra).