Il campo della fisica della statica fluida

La statica dei fluidi è il campo della fisica che prevede lo studio dei fluidi a riposo. Poiché questi fluidi non sono in movimento, ciò significa che hanno raggiunto uno stato di equilibrio stabile, quindi la statica dei fluidi riguarda principalmente la comprensione di queste condizioni di equilibrio dei fluidi. Quando ci si concentra su fluidi incomprimibili (come i liquidi) anziché su liquidi comprimibili (come la maggior parte gas), a volte viene indicato come idrostatica.

Un fluido a riposo non subisce alcuno stress e sperimenta solo l'influenza della forza normale del fluido circostante (e delle pareti, se in un contenitore), che è il pressione. (Maggiori informazioni qui sotto.) Questa forma di condizione di equilibrio di un fluido è detta a condizione idrostatica.

I fluidi che non sono in una condizione idrostatica o a riposo, e quindi in qualche modo in movimento, rientrano nell'altro campo della meccanica dei fluidi, fluidodinamica.

Considera una sezione trasversale di un fluido. Si dice che subisca uno stress puro se sta sperimentando uno stress complanare o uno stress che punta in una direzione all'interno del piano. Un tale stress puro, in un liquido, causerà movimento all'interno del liquido. Lo stress normale, d'altra parte, è una spinta in quella sezione trasversale. Se l'area è contro una parete, ad esempio il lato di un becher, l'area della sezione trasversale del liquido eserciterà una forza contro la parete (perpendicolare alla sezione trasversale, pertanto, non complanare ad esso). Il liquido esercita una forza contro il muro e il muro esercita una forza indietro, quindi c'è una forza netta e quindi nessun cambiamento nel movimento.

Il concetto di una forza normale può essere familiare fin dall'inizio nello studio della fisica, perché si manifesta molto nel lavorare e nell'analizzare diagrammi a corpo libero. Quando qualcosa è seduto a terra, spinge verso il basso con una forza pari al suo peso. Il terreno, a sua volta, esercita una forza normale sul fondo dell'oggetto. Sperimenta la forza normale, ma la forza normale non provoca alcun movimento.

Una forza pura sarebbe se qualcuno spingesse sull'oggetto dal lato, il che causerebbe un movimento così lungo da poter superare la resistenza all'attrito. Una forza complanare all'interno di un liquido, tuttavia, non sarà soggetta ad attrito, perché non c'è attrito tra le molecole di un fluido. Fa parte di ciò che lo rende un fluido piuttosto che due solidi.

Ma, dici, non significherebbe che la sezione trasversale viene reinserita nel resto del fluido? E ciò non significherebbe che si muove?

Questo è un punto eccellente. Quel frammento di fluido in sezione trasversale viene spinto indietro nel resto del liquido, ma quando lo fa il resto del fluido spinge indietro. Se il fluido è incomprimibile, questa spinta non sposterà nulla da nessuna parte. Il fluido tornerà indietro e tutto rimarrà fermo. (Se comprimibile, ci sono altre considerazioni, ma manteniamolo semplice per ora.)

Tutte queste minuscole sezioni trasversali di liquido che si spingono l'una contro l'altra e contro le pareti del contenitore, rappresentano minuscoli pezzi di forza, e tutta questa forza si traduce in un'altra importante proprietà fisica del fluido: il pressione.

Invece di aree trasversali, considera il fluido diviso in piccoli cubi. Ogni lato del cubo viene spinto dal liquido circostante (o dalla superficie del contenitore, se lungo il bordo) e tutti questi sono normali sollecitazioni contro quei lati. Il fluido incomprimibile all'interno del cubo minuscolo non può comprimersi (questo è ciò che significa "incomprimibile", dopo tutto), quindi non vi è alcun cambiamento di pressione all'interno di questi cubetti. La forza che preme su uno di questi piccoli cubi saranno forze normali che annullano con precisione le forze dalle superfici del cubo adiacente.

Questo annullamento delle forze in varie direzioni è una delle scoperte chiave in relazione alla pressione idrostatica, nota come Legge di Pascal dopo il geniale fisico e matematico francese Blaise Pascal (1623-1662). Ciò significa che la pressione in qualsiasi punto è la stessa in tutte le direzioni orizzontali e quindi che la variazione di pressione tra due punti sarà proporzionale alla differenza di altezza.

Un altro concetto chiave nella comprensione della statica fluida è il densità del fluido. Fa parte dell'equazione della Legge di Pascal e ogni fluido (così come solidi e gas) ha densità che possono essere determinate sperimentalmente. Ecco una manciata di densità comuni.

La densità è la massa per unità di volume. Ora pensa a vari liquidi, tutti suddivisi in quei piccoli cubetti che ho citato prima. Se ogni cubo piccolo ha le stesse dimensioni, allora le differenze di densità significano che cubetti piccoli con densità diverse avranno una diversa quantità di massa in essi. Un cubo minuscolo a densità più alta avrà più "roba" al suo interno rispetto a un cubetto minuscolo a densità inferiore. Il cubo a densità più alta sarà più pesante del cubo minuscolo a densità inferiore e quindi affonderà rispetto al cubo minuscolo a densità inferiore.

Quindi, se mescoli due fluidi (o anche non fluidi) insieme, le parti più dense affonderanno e le parti meno dense aumenteranno. Ciò è evidente anche nel principio di galleggiabilità, questo spiega come lo spostamento del liquido si traduca in una forza verso l'alto, se ricordi il tuo Archimedes. Se presti attenzione alla miscelazione di due fluidi mentre sta accadendo, ad esempio quando mescoli olio e acqua, ci sarà un sacco di fluido, e questo sarebbe coperto da fluidodinamica.

Ma una volta che il fluido raggiunge l'equilibrio, avrai fluidi di diverse densità che si sono depositati in strati, con il fluido più denso che forma lo strato inferiore, fino a raggiungere il livello più basso densità fluido sullo strato superiore. Un esempio di questo è mostrato nel grafico di questa pagina, in cui fluidi di diversi tipi si sono differenziati in strati stratificati in base alla loro densità relativa.