ESPERIMENTO TORRICELLI: MISURE DI PRESSIONE ATMOSFERICA, IMPORTANZA - FISICO - 2024

L' esperimento Torricelli fu condotto dal fisico e matematico italiano Evangelista Torricelli nel 1644 e portò alla prima misurazione della pressione atmosferica.

Questo esperimento è nato dalla necessità di migliorare l'approvvigionamento idrico nelle città. Evangelista Torricelli (1608-1647), matematico di corte del Granduca di Toscana Ferdinando II, aveva studiato insieme a Galileo i fenomeni idraulici.

Figura 1. Esperimento di Torricelli, in cui la colonna di mercurio sale di 760 mm a causa della pressione atmosferica. Fonte: F. Zapata.

L'esperimento

Nel 1644 Torricelli fece il seguente esperimento:

- Ha introdotto il mercurio in un tubo lungo 1 m, aperto ad un'estremità e chiuso all'altra.

- Quando il tubo fu completamente pieno, lo capovolse e lo gettò in un contenitore che conteneva anche mercurio.

- Torricelli osserva che la colonna scende e si ferma a circa 76 cm di altezza.

- Notò anche che nello spazio era stato generato un vuoto che era libero, sebbene non perfetto.

Torricelli ha ripetuto l'esperimento utilizzando diversi tubi. Fece anche una piccola variazione: aggiunse dell'acqua al secchio, che, essendo più leggero, galleggiava sul mercurio. Quindi sollevò lentamente il tubo contenente mercurio sulla superficie dell'acqua.

Quindi il mercurio è sceso e l'acqua è salita. Il vuoto ottenuto, come abbiamo già detto, non era perfetto, perché c'erano sempre resti di vapore di mercurio o acqua.

La misura della pressione atmosferica

L'atmosfera è una miscela di gas in cui predominano azoto e ossigeno, con tracce di altri gas come argon, anidride carbonica, idrogeno, metano, monossido di carbonio, vapore acqueo e ozono.

L'attrazione gravitazionale esercitata dalla Terra è responsabile del mantenimento dell'intero pianeta circostante.

Naturalmente, la composizione non è uniforme, e nemmeno la densità, poiché dipende dalla temperatura. In prossimità della superficie è presente una buona quantità di polvere, sabbia e inquinanti derivanti da eventi naturali e anche dall'attività umana. Le molecole più pesanti sono più vicine al suolo.

Poiché c'è tanta variabilità, è necessario scegliere un'altitudine di riferimento per la pressione atmosferica, che per comodità è stata presa come livello del mare.

Qui non è solo un livello del mare qualsiasi, perché anche questo presenta fluttuazioni. Il livello o dato viene scelto con l'ausilio di qualche sistema di riferimento geodetico fissato di comune accordo tra gli esperti.

Quanto vale la pressione atmosferica vicino al suolo? Torricelli ha trovato il suo valore misurando l'altezza della colonna: 760 mm di mercurio.

Il barometro Torricelli

Nella parte superiore del tubo la pressione è 0, poiché lì è stato stabilito un vuoto. Nel frattempo, sulla superficie della vasca di mercurio, la pressione P ₁ è la pressione atmosferica.

Scegliamo l'origine del sistema di riferimento sulla superficie libera del mercurio, nella parte superiore del tubo. Da lì alla superficie del mercurio nel contenitore, misura H, l'altezza della colonna.

Figura 2. Il barometro Torricelli. Fonte: General Physics for Engineers. J. Lay. USACH.

La pressione nel punto segnato in rosso, alla profondità y ₁ è:

Dove ρ _Hg è la densità del mercurio. Poiché y ₁ = H e Po = 0:

Poiché la densità del mercurio è costante e la gravità è costante, risulta che l'altezza della colonna di mercurio è proporzionale a P _{1 ,} che è la pressione atmosferica. Sostituzione di valori noti:

L'unità di pressione nel Sistema Internazionale è il Pascal, abbreviato Pa. Secondo l'esperimento di Torricelli, la pressione atmosferica è 101,3 kPa.

Importanza della pressione atmosferica per il clima

Torricelli osservò che il livello di mercurio nel tubo subiva ogni giorno leggere variazioni, quindi dedusse che anche la pressione atmosferica doveva cambiare.

La pressione atmosferica è responsabile di gran parte del clima, tuttavia le sue variazioni giornaliere passano inosservate. È perché non sono così evidenti come i temporali o il freddo, ad esempio.

Tuttavia, queste variazioni di pressione atmosferica sono responsabili dei venti, che a loro volta influenzano la pioggia, la temperatura e l'umidità relativa. Quando il terreno si riscalda, l'aria si espande e tende a salire, facendo diminuire la pressione.

Ogni volta che il barometro indica pressioni elevate, ci si può aspettare bel tempo, mentre con pressioni basse c'è la possibilità di temporali. Tuttavia, per fare previsioni meteorologiche accurate, sono necessarie maggiori informazioni su altri fattori.

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Anche se suona strano, poiché la pressione è definita come forza per unità di superficie, in meteorologia è valido esprimere la pressione atmosferica in millimetri di mercurio, come stabilito da Torricelli.

Questo perché il barometro a mercurio continua ad essere utilizzato oggi con poche variazioni da allora, tanto che in onore di Torricelli 760 mm di Hg è pari a 1 torr. In altre parole:

Se Torricelli avesse usato l'acqua al posto del mercurio, l'altezza della colonna sarebbe di 10,3 m. Il barometro a mercurio è più pratico in quanto più compatto.

Altre unità di uso diffuso sono bar e millibar. Un millibar è uguale a un ettopascal o 10 ² pascal.

Altimetri

Un altimetro è uno strumento che indica l'altezza di un luogo, confrontando la pressione atmosferica a quell'altezza con quella al suolo o altro luogo di riferimento.

Se l'altezza non è molto grande, in linea di principio possiamo supporre che la densità dell'aria rimanga costante. Ma questa è un'approssimazione, poiché sappiamo che la densità dell'atmosfera diminuisce con l'altezza.

Utilizzando l'equazione usata sopra, viene utilizzata la densità dell'aria al posto di quella del mercurio:

In questa espressione P _o è considerata la pressione atmosferica al suolo e P1 è quella del luogo di cui si vuole determinare l'altitudine:

L'equazione altimetrica mostra che la pressione diminuisce esponenzialmente con l'altezza: per H = 0, P ₁ = P _o e se H → ∞, allora P ₁ = 0.

Riferimenti

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Fisica per le scienze e l'ingegneria. Volume 5. Fluidi e termodinamica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione ridotta. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Fisica generale per ingegneri. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4 °. Edizione. Pearson Education.
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