la mongolfiera

LA MONGOLFIERA
a
Un esperimento realizzato dalla 3 F
dell’Istituto Comprensivo di Trescore
Balneario (BG)
per EXPOLANGUE - 2014
La mongolfiera è UNA STRUTTURA che può UTILIZZARE aria calda (O PROPANO un gas più
leggero dell'aria circostante), per ottenere la forza necessaria per sollevarsi da terra. Fa parte della
categoria degli aerostati, veicoli aerei che utilizzano gas per sollevarsi.
É il tipo più comune di pallone aerostatico. Quando sono in volo i palloni vengono trasportati dal
vento e non possiedono strumenti direzionali propri. Come tutti gli aerostati, anche la mongolfiera
vola in virtù del fatto che il gas che riempie il pallone è più leggero dell'aria circostante e questo
determina una spinta verso l'alto secondo il ben noto Principio di Archimede
IL PRINCIPIO DI ARCHIMEDE
“Ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido (liquido
o gas) riceve una spinta verticale dal basso verso l'alto, uguale per
intensità al peso del fluido spostato”
Il principio è stato chiamato così in onore di
greco, vissuto nel 3° secolo a.C.
Archimede di Siracusa , matematico e fisico
Un fluido può essere inteso sia come liquido che come
gas:
• Una
nave
galleggia
sull'acqua,
ma
anche
una
mongolfiera che sale verso l'alto è soggetta allo stesso
principio. Una nave, anche se di ferro, essendo vuota (o
meglio, piena d'aria), occupa un volume complessivo di
materia (aria, ferro, plastica, legno e quant'altro
compone una nave) che ha un certo peso; siccome lo
stesso volume di sola acqua ha un peso maggiore, la spinta verso l'alto ricevuta dalla nave ne
permette il galleggiamento; analogamente, una mongolfiera piena di aria calda o di elio (fluidi di
peso specifico minore di quello dell'aria), risulta più leggera del volume di aria che sposta e viene
spinta verso l'alto.
• Un sommergibile in emersione ha una densità media minore di quella dell'acqua. Per potersi
immergere deve aumentare la sua densità fino ad un valore maggiore di quello dell'acqua,
allagando alcuni comparti interni. Per stabilizzarsi ad una certa profondità deve espellere una parte
di quest'acqua in modo da raggiungere una densità pari a quella dell'acqua[6].
• Diverse specie di pesci possono controllare in modo analogo il loro assetto subacqueo attraverso
la vescica natatoria, che contiene aria. Comprimendo la vescica con l'azione dei muscoli riducono
il volume d'aria incamerata, facendo diminuire l'intensità della spinta di Archimede e possono
scendere; rilassando i muscoli la vescica si espande e possono invece risalire fino in superficie.
• La spinta di Archimede trova una sua applicazione nel fenomeno geofisico dell'Isostasia, ovvero il
fenomeno del "galleggiamento" della crosta terrestre rigida sul mantello più fluido. La litosfera,
attraverso assestamenti isostatici, tende poi a riportarsi in equilibrio con l'astenosfera con un
procedimento analogo a quello del Principio di Archimede finché non è finito il processo di
formazione della nuova catena montuosa.
EUREKA!
Col suo famoso Eureka! (traduzione: ho trovato!) Archimede intendeva dire che “aveva trovato” la soluzione al problema
postogli dal tiranno di Siracusa Gerone II (3° secolo a.C.) che gli aveva chiesto di aiutarlo a verificare uno sgradevole
sospetto. Il sovrano, per celebrare un successo, aveva commissionato ad un orefice una corona d'oro fornendogli per
questo un certo quantitativo del prezioso metallo. A lavoro finito la corona pesava esattamente quanto l'oro fornito, ma
aveva il dubbio che parte dell'oro fosse stata sostituita con un uguale peso di metallo più vile (argento o rame).
Basandosi sulla sua intuizione, Archimede capì che due materiali diversi, aventi lo stesso peso ma necessariamente due
volumi diversi (es. un chilo di ferro ed un chilo di legno) ricevono diverse spinte se immersi nell'acqua e queste spinte
dipendono esclusivamente dal volume e non dal tipo di materiale o dal suo peso.
In particolare, data l'elevata densità dell'oro, il volume di una corona in metallo vile sarà maggiore e così la spinta. Fu
quindi sufficiente utilizzare una bilancia ed appendere la corona ad un braccio, e all'altro braccio un lingotto di oro puro
con peso pari a quello della corona. La bilancia era ovviamente in equilibrio.
I due oggetti vennero allora immersi in acqua alzando due recipienti posti uno sotto ogni braccio. La corona era in parte
composta da metallo meno prezioso che era stato aggiunto in ugual peso ma in maggior volume e quindi in totale la
corona aveva maggior volume del lingotto d'oro. La corona riceveva pertanto una spinta maggiore e la bilancia si spostò
dalla parte dell'oro denunciando la frode.
LEGGE DEI GAS PERFETTI
L'equazione di stato dei gas perfetti, nota anche come legge dei gas perfetti, descrive le condizioni
fisiche di un "gas perfetto" o di un gas "ideale", correlandone le funzioni di stato: quantità di sostanza,
pressione, volume e temperatura. Venne formulata nel 1834 da Émile Clapeyron. La sua espressione
più comune è:
pV = nRT
in cui
p è il valore della pressione del gas;
V è il volume occupato dal gas;
n sono le moli del gas;
R è la costante universale dei gas, il cui valore varia in funzione delle unità di misura adottate per
esprimere le altre grandezze nell'equazione;
T è la temperatura assoluta del gas, espressa in gradi Kelvin.
ALCUNE GRANDEZZE
• FORZA PESO (o più semplicemente peso). In fisica classica la FORZA PESO che agisce su un
corpo è la forza che il campo gravitazionale esercita su una massa verso il centro della Terra. La
forza peso è stata definita da Isaac Newton nel 1687. Nel Sistema Internazionale di misura
l’unità per misurare la forza peso è il newton e si indica con la lettera N.
• Il VOLUME è la misura dello spazio occupato da un corpo. L'unità adottata dal Sistema
Internazionale è il metro cubo, simbolo m³.
• La DENSITÀ è il rapporto tra peso e volume. Nel Sistema Internazionale la densità si misura in
kg/m³.