Esperimenti con le bottiglie (pressione)

Progetto “Laboratorio dai grandi ai piccoli”.

A cura di Silvia Defrancesco e Luigino Bazzanella.

1.     BICCHIERE PIENO D’ACQUA CAPOVOLTO 

Il bicchiere è immerso nell’aria della stanza. L’aria esercita una pressione in tutte le direzioni, quindi ogni superficie del bicchiere è sottoposta a una forza notevole. Anche la superficie chiusa con il cartoncino è sottoposta a una forza che è maggiore della forza peso dell’acqua che si trova all’interno del bicchiere. L’acqua è dunque sottoposta a due forze, una verso il basso (forza peso) e un’altra verso l’alto (forza dovuta alla pressione dell’aria). Affinché si verifichino queste condizioni, il bicchiere deve essere pieno d’acqua, senza aria. A volte l’esperimento riesce anche se c’è dell’aria all’interno (approfondimento), questo per due motivi:

a) – il cartoncino si può flettere un poco, lasciando uscire un po’ d’acqua. L’aria all’interno si espande e la pressione esercitata dall’interno sull’acqua diminuisce.;

b) – se il cartoncino è bagnato sui bordi, agisce la tensione superficiale che aiuta a tenere incollato il cartoncino al bordo del bicchiere.

Qualche calcolo: un bicchiere da 250 ml contiene una quantità di acqua la cui massa è 250 g e il peso è circa 2.5 N. La pressione dell’aria in condizioni normali è circa 10⁵ Pa; la forza che agisce sulla superficie di un bicchiere, stimabile a circa 0.2 m² risulta di  2*104 N, quindi 10000 volte più grande della forza peso. (il bicchiere dovrebbe essere poco più alto di 10 m per lasciar vincere la forza peso dell’acqua)

2.     BARATTOLO CHIUSO CON UN COPERCHIO CON DUE FORI

Fare due fori in un coperchio di un vaso della marmellata. Riempire in parte il barattolo di acqua, chiuderlo e capovolgerlo tenendolo ben orizzontale: l’acqua non esce .

Inclinare il barattolo: l’acqua ora esce dal foro più in basso, mentre da buco più in alto entrano bolle d’aria. L’acqua può uscire solo se l’aria può entrare. Se i fori sono a livelli diversi, l’acqua (che pesa più dell’aria) esce dal buco più in basso e viene sostituita dall’aria che entra nel buco più in alto.

3.     BOTTIGLIA CHIUSA CON FORI

Fare tanti fori in una bottiglia tutti allo stesso livello. Riempirla di acqua e chiuderla. Mostrarla al pubblico e chiedere se la bottiglia è forata (l’acqua non esce). Schiacciare la bottiglia e mostrare l’acqua che esce dai fori. Schiacciare la bottiglia significa comprimere il volume d’aria e conseguentemente aumentarne la pressione: l’acqua viene quindi spinta fuori dalla bottiglia.

Chiedere se si potrebbe fare questo esperimento con una bottiglia di vetro.

Chiudere la bottiglia con il tappo: l’acqua non  esce  più.  Il  tappo  può  essere  usato come “rubinetto”: apre e chiude il flusso di acqua. Cosa succede: quando si chiude con il tappo, un piccola quantità di acqua esce ancora dai fori. Questo permette all’aria interna di aumentare di volume e quindi di diminuirne la pressione. A questo punto, all’esterno del foro c’è la pressione atmosferica e all’interno c’è la pressione dovuta all’acqua e la pressione dovuta all’aria (minore di quella esterna): le due pressioni esterna e interna si fanno equilibrio. La stessa cosa succede anche per l’esperimento precedente con il barattolo con il coperchio con due fori: quando lo si capovolge, esce un po’ di acqua, cosicché la pressione dell’aria interna diminuisce.

4.     BOTTIGLIA CON FORI, CHIUSA E CON CANNUCCIA NEL COPERCHIO

Inserire una cannuccia in un tappo di bottiglia. (è necessario che la cannuccia aderisca perfettamente al foro). Soffiare attraverso la cannuccia: l’acqua esce dai fori (soffiare significa aumentare la pressione dell’aria e quindi l’acqua viene spinta fuori). Aspirare dalla cannuccia: l’acqua sale attraverso di essa, poiché nella cannuccia si è creata una depressione. L’aria fuori dalla cannuccia è a pressione più alta di quella interna e quindi spinge l’acqua verso l’alto. E’ questo effetto che ci permette di bere le bibite con la cannuccia. (Da Quaderni de La fisica nella scuola: gli esperimenti di Collins)

5.     BOTTIGLIA APERTA CON FORI A ALTEZZE DIVERSE

Forare una bottiglia con buchi ad altezze diverse. Riempire la bottiglia di acqua e lasciarla aperta: l’acqua zampilla dai fori con getti che hanno gittate diverse, che dipendono dall’altezza del foro (maggiore è l’altezza del foro, dalla base della bottiglia, minore è la gittata). La gittata dipende dalla pressione esercitata dal liquido.

Il calcolo teorico della distanza del getto vale per fori fatti perfettamente: l’acqua esce dal foro con velocità v =√(2gh) l’acqua cade a una distanza d dalla base della bottiglia pari a d = √(Hh), dove H è l’altezza del foro dalla base della bottiglia e h è l’altezza dell’acqua sopra il foro).

Ripetere l’osservazione dei getti con la bottiglia forata con tanti fori alla stessa altezza.

6.     LA PRESSIONE DEL LIQUIDO DIPENDE SOLO DALL’ALTEZZA DEL LIQUIDO

Avvitare su una bottiglia piena di acqua un cilindro anch’esso pieno di acqua. Osservare la gittata del flusso che fuoriesce da un foro bottiglia. Sostituire il cilindro con un recipiente di forma diversa (per esempio una bottiglia). Riempire nuovamente il tutto di acqua fino a raggiungere la stessa altezza del caso precedente: si osserverà che la gittata uscente dal foro è la medesima di prima: Questa osservazione ci permette di dire che la pressione del liquido dipende solo dall’altezza e non dalla forma del recipiente (dunque non dipende da quanta acqua c’è, ma solo dalla colonna di acqua).

Questo fatto permette di costruire una livella utilizzando due contenitori pieni di acqua (p.es due bottiglie) collegati da un lungo tubo. Per determinare se due punti distanti si trovano alla stessa altezza da terra è  sufficiente posizionare le due bottiglie nei punti di interesse e vedere se il livello di acqua è il medesimo.

7.     FONTANA DI ERONE

Erone di Alessandria (62 d.C.) descrisse una fontana che utilizzava aria compressa per sollevare l’acqua ad un punto più alto del punto di partenza .

Inserire i tubicini forati verso l’interno del tappo.
Riempire una bottiglia d’acqua fino a 3/4 , quindi avvitarla su una seconda bottiglia tramite il tappo e capovolgerle.

La gravità spinge l’acqua dalla bottiglia superiore a quella inferiore attraverso il tubicino basso, cosicché l’aria nella bottiglia inferiore si comprime. Quando l’acqua della bottiglia superiore scende, si forma una depressione. L’aria viene dunque spinta verso l’alto attraverso il tubo inferiore. L’acqua entra attraverso i piccoli fori che sono alla base del tubo e viene spinta in alto con una forza sufficiente per formare la fontana.

Il tubo inferiore non ha nessuna funzione nella formazione della fontana (si può controllare togliendo il tubo).

Per dimostrare che esiste una decompressione nella bottiglia superiore far partire la fontana e svitare la bottiglia inferiore. L’aria sale velocemente lungo il tubo della fontana per occupare lo spazio “vuoto” e si porta dietro acqua. (fig. 1)

Per dimostrare che l’aria è compressa nella bottiglia inferiore, tagliare la base di una terza bottiglia e sostituirla alla bottiglia superiore. Tenere un dito sul foro del tubo e riempire d’acqua la bottiglia aperta. Aprire il foro del tubicino e far partire la fontana. (fig. 2)

8.     CICLONE

Il tappo per formare il ciclone è un tubo di Venturi con una condotta cilindrica con pendenza 22°. (Un tubo di Venturi è una condotta con una strozzatura: l’acqua che passa per la strozzatura aumenta in velocità e diminuisce in pressione).

Riempire d’acqua una bottiglia di plastica per circa ¾. Inserire il tappo “ciclone” nel collo della bottiglia e connetterlo a una bottiglia vuota. Invertire le due bottiglie e imprimere una rotazione alla bottiglia superiore per far partire il ciclone.

Il peso spinge l’acqua superiore verso il basso, attraverso il tubo di Venturi, creando un vortice Dopo la rotazione, il vortice guadagna velocità entrando nel passaggio di Venturi e l’acqua viene spinta verso l’esterno, riducendo la pressione nel centro del vortice. Ciò permette all’aria che è stata spinta nella bottiglia inferiore di salire attraverso il vortice, per compensare la depressione creata dall’acqua che scende.

9.     DIAVOLETTO DI CARTESIO

Si tratta di un tubetto vuoto e non tappato che galleggia in una bottiglia di acqua (la parte aperta del tubetto sarà verso il basso). Il tubetto va zavorrato in modo che galleggi appena: in questa situazione la densità del diavoletto sarà uguale a quella dell’acqua. Se si aumenta la pressione nel recipiente più grande, l’aria all’interno del diavoletto viene compressa e nel tubicino entra un po’ di acqua. A questo punto, la densità del diavoletto è maggiore di quella dell’acqua ed esso affonda. Se la pressione diminuisce, l’acqua esce e il diavoletto torna a galleggiare. (Estensioni: questo dispositivo potrebbe essere utilizzato come altimetro…).