Tutti i bimbi se lo chiedono: perché le navi galleggiano e non affondano come i sassi? Alla base di questa capacità c’è il principio di Archimede, che funziona per tutte le imbarcazioni: dalle tavole da surf alle navi crociera.
Tutte le navi possono galleggiare, altrimenti non sarebbero navi. E alla base di questa capacità c’è il concetto fisico di galleggiabilità.
Il principio di Archimede che tiene a galla le navi
Gli oggetti galleggiano o affondano in acqua a seconda della loro densità. Se un corpo è più denso dell’acqua, affonderà inesorabilmente. Se invece è meno denso, resterà a galla. Le dimensioni dell’oggetto non contano affatto. Un sassolino minuscolo può affondare, e una nave può galleggiare. La scienza ci dice che un oggetto affonda se pesa più di una quantità d’acqua pari al volume dell’oggetto stesso. Eppure ci sono corpi realizzati per la maggior parte con materiali più densi dell’acqua che riescono a galleggiare: com’è possibile?
Conta la galleggiabilità, che può essere superficiale, positiva o negativa. Le navi, di solito, distribuiscono il loro peso e non galleggiano completamente: una parte dell’imbarcazione sta sott’acqua! Perché lo fanno? Il matematico greco Archimede, già nel III secolo a.C., diede una spiegazione scientifica a questo fenomeno.
Secondo la leggenda, gli era stato affidato il compito di capire se una corona prodotta per il re fosse di oro massiccio oppure un falso. Archimede, precedentemente, aveva notato come il livello dell’acqua salisse quando si immergeva nella vasca da bagno… Allora sfruttò questo principio per misurare il volume di un oggetto così prezioso come la corona.
In pratica, la immerse in un secchio d’acqua e misurò l’aumento di volume del liquido. Poi calcolò il peso della corona e quindi la sua densità. Più tardi, divise la massa per il volume. Infine, confrontò la densità ottenuta con quella nota dell’oro. Se la densità fosse stata inferiore a quella dell’oro, significava che la corona era un falso. Ma grazie a questo esperimento, Archimede capì qualcosa in più. Intuì quali erano le proprietà dei corpi che galleggiano in acqua.
Le intuizioni del matematico
Il nostro Archimede capì che ogni corpo immerso in un fluido riceve una spinta verticale dal basso verso l’alto, uguale per intensità al peso del fluido spostato. Secondo il principio di Archimede, dunque, questo era il segreto che permetteva alle navi di galleggiare.
Il punto è che se un oggetto è completamente immerso, questa forza diretta verso l’alto sembra ridurne il peso. Ecco perché qualsiasi oggetto sembra più leggero quando sta in acqua… Il peso, per una nave, è importante, e comporta sempre uno spostamento del baricentro. Perciò il peso totale di una nave, compreso il carico, viene chiamato dislocamento.
L’acqua è un liquido abbastanza denso ed è praticamente impossibile da comprimere. Questa proprietà permette all’acqua di esercitare una grande pressione. Insomma, l’acqua spinge in ogni direzione. Quando una nave si trova sull’acqua, parzialmente sommersa, la pressione è bilanciata in ogni direzione tranne che verso l’alto. C’è quindi una forza netta e potente che sostiene la barca da sotto. La nave affonda nell’acqua tirata giù dal suo peso finché la spinta dell’acqua non controbilancia quest’azione. Se la nave pesa meno del volume massimo di acqua che potrebbe mai spostare, galleggia. O meglio, affonda fino a un certo punto, ma poi l’acqua la spinge su. Più carico si aggiunge a una nave, più essa pesa e più dovrà affondare affinché la spinta verso l’alto bilanci il suo peso.
