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Breve lezione sulla pressione atmosferica

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Breve lezione sulla pressione atmosferica
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Eseguiamo tre semplici esperimenti per dimostrare l’azione della pressione atmosferica sui liquidi e sugli oggetti.

In certe giornate al mare, guardando verso l’orizzonte, non si riesce a individuare con precisione quella linea immaginaria in cui il mare incontra il cielo. Acqua e aria sono due elementi che, insieme a terra e fuoco, secondo le antiche tradizioni (tra cui quella ellenica) costituivano ogni cosa. È proprio del connubio tra aria e acqua che parliamo, spiegando alcuni fenomeni e proponendo i relativi esperimenti. Parliamo di pressione atmosferica!

Alla scoperta della pressione atmosferica

Il fattore in gioco è la pressione atmosferica, la forza che determina molti fenomeni che avvengono sul pianeta. Evangelista Torricelli, circa 300 anni fa, con un celebre esperimento ne dimostrò l’esistenza: immerse un tubo di vetro con sezione di un centimetro quadrato, riempito di mercurio (Hg) e chiuso all’estremità superiore, in una vaschetta piena a sua volta di mercurio e vide che il liquido non usciva completamente.

Al livello del mare nel tubo restavano 760 mm di mercurio (il cui peso è di circa 1 kg) perché la pressione atmosferica, premendo sulla superficie del mercurio nella vaschetta, li sosteneva. Torricelli dimostrò così che il valore della pressione dell’aria è di circa 1 kg su ogni centimetro quadrato. Il mercurio, l’unico metallo liquido, ha una grande densità, pari a circa 13 g al centimetro cubo; perciò, con un calcolo, si può verificare che l’acqua, che ha una densità circa 13 volte inferiore, rimarrebbe nel tubo di vetro fino a un’altezza di oltre 10 metri.

Come si misura la pressione

Ecco perché quando usiamo una cannuccia per bere e aspiriamo l’aria la bibita sale: viene spinta dalla pressione atmosferica. È un fenomeno di cui non ci rendiamo conto, quel che conta è che la bibita ci arrivi in bocca! L’unità di misura della pressione atmosferica del Sistema Internazionale è il pascal (Pa); altre unità sono: l’atmosfera (atm), che corrisponde a 760 mm Hg, il bar e un suo sottomultiplo, il millibar (mb). Il valore medio della pressione al livello del mare è fissato a 1 atm (760 mm Hg), corrispondenti a 1013 mb e a 101,325 Pa.

L’efficienza della cannuccia

Immaginiamo di avere una cannuccia super efficiente e di fare il vuoto al suo interno: spinta dalla pressione atmosferica l’acqua si solleverebbe fino a un’altezza di circa 10 metri. Al livello del mare, però, perché la pressione atmosferica cambia secondo l’altitudine, la temperatura, la quantità di vapore acqueo. Per questo l’indicazione della pressione nei barometri permette di valutare la tendenza del tempo. Se c’è più vapore acqueo la pressione è inferiore, perché la densità del vapore è minore di quella del mix di azoto e ossigeno dell’aria.

Pressione atmosferica e meteo

Per questo, in genere, la diminuzione della pressione indica maltempo in arrivo. Se siamo invece in quota, sopra di noi abbiamo una colonna di aria meno lunga: ecco perché la pressione diminuisce con l’altitudine. Possiamo perciò renderci conto in modo immediato dell’azione della pressione dell’aria attraverso gli effetti esercitati sull’acqua; ed è proprio sull’influenza tra aria e acqua che si basano gli esperimenti proposti nella pagina che segue.

Laboratorio di scienze: 3 esperimenti sulla pressione atmosferica

Per eseguire i tre facili esperimenti che vi proponiamo useremo materiali di uso comune e in grado di produrre, nella loro semplicità, non solo dimostrazioni scientifiche ma, quasi, risultati dall’aspetto magico e sorprendente dei giochi di prestigio.

Esperimento 1

Il primo esperimento, replica di quello storico di Torricelli, ha come obiettivo verificare l’effetto della pressione atmosferica.

Materiali:

  • vaschetta o becher
  • acqua
  • colorante alimentare
  • bicchiere o provetta

Immergere obliquamente il bicchiere nella vaschetta piena d’acqua colorata, in modo tale che si riempia. Si noterà la formazione di bolle d’aria, le quali indicano che nel bicchiere l’acqua ha preso il posto dell’aria. Poi si estrae lentamente il bicchiere, tenendolo verticale e mantenendo il bordo sotto il pelo dell’acqua. Si noterà che l’acqua non esce dal bicchiere perché è sostenuta dalla pressione atmosferica che agisce sulla superficie della vaschetta. In alternativa si può immergere una provetta piena d’acqua in un becher, avendo cura di tenere chiusa con un dito l’imboccatura della provetta fino a che non si trova sotto il pelo dell’acqua. L’effetto è identico: l’acqua non esce.

Esperimento 2

Dopo esserci improvvisati novelli Torricelli ci metteremo nei panni dei veri prestigiatori perché, nel secondo esperimento, immergeremo un bicchiere perpendicolarmente alla superficie d’acqua di una vaschetta, dopo avere collocato sul fondo dello stesso un fazzoletto. Anche in questo caso l’obiettivo è verificare l’effetto della pressione atmosferica.

Materiali:

  • vaschetta, becher o bicchiere
  • acqua
  • colorante alimentare
  • bicchiere
  • fazzoletto di carta

Infilare il fazzoletto di carta nel becher (eventualmente fissandolo con del nastro adesivo). Quindi introdurre il becher capovolto sul fondo della vaschetta piena d’acqua colorata, mantenendolo perpendicolare alla superficie dell’acqua. Poi estrarre il bicchiere e togliere il fazzoletto: si noterà che non è né bagnato né colorato. Infatti, l’aria presente nel bicchiere, con la sua pressione ha impedito la risalita dell’acqua. Non si vedranno, del resto, le bolle d’aria viste nell’esperimento 1.

Esperimento 3

L’obiettivo del terzo esperimento è sempre verificare l’effetto della pressione atmosferica, e questa volta proveremo a non far cadere l’acqua da un bicchiere rovesciato, semplicemente appoggiando sul suo bordo un cartoncino in grado di coprirlo completamente.

Materiali:

  • acqua
  • bicchiere
  • cartoncino

Riempire un bicchiere d’acqua e appoggiare sul bordo un cartoncino rigido per coprirlo interamente. Tenere il cartoncino ben premuto al bordo, in modo tale che non si sposti di lato permettendo l’entrata di aria e l’uscita di acqua. Con mossa rapida capovolgere il bicchiere e lasciare il cartoncino: si vedrà che né il cartoncino né l’acqua cadono.

Svolgimento alternativo: si può ripetere l’esperimento con il bicchiere vuoto. In questo caso capovolgendo il bicchiere il cartoncino cadrà. Per quale motivo il cartoncino, che pesa pochi grammi, cade, mentre il cartoncino dell’esperimento precedente, che sosteneva un paio di ettogrammi di acqua, non è caduto?

La ragione è che nel caso del bicchiere vuoto la pressione agisce in modo uguale dall’alto verso il basso (all’interno del bicchiere) e dal basso verso l’alto (all’esterno), quindi la forza risultante è nulla; l’unica forza presente è perciò quella diretta verso il basso, data dalla massa del cartoncino moltiplicata per la gravità. Nel caso del bicchiere pieno, invece, si potrà calcolare a quanti kg corrisponda la forza esercitata dall’aria sul cartoncino che sostiene il liquido, valutando la superficie coperta del bicchiere.

La pressione atmosferica è affascinante e tutta da scoprire: prova questi esperimenti in classe per far divertire i tuoi alunni!