Giochi sull'acqua

Vorrei ricevere una spiegazione chiara sul perché, mettendo in movimento circolare una vaschetta d'acqua, la sua superficie assume la forma di parabola.
Arianna Marelli
12 luglio 2001
Due osservazioni preliminari:

L'acqua (o il liquido in generale) è dotato di attrito interno per cui gli scorrimenti mutui di parti del liquido rispetto ad altre parti si smorzano, la condizione limite è quella in cui il moto è rigido, ossia localmente non vi sono scorrimenti mutui, quindi d'ora in poi ammetto di aver raggiunto questa condizione. Nel momento in cui ho raggiunto la condizione di moto rigido l'attrito è irrilevante, le uniche forze interne sono quelle di pressione isotropa, cioè la cui entità è indipendente dalla direzione, più meticolosamente, è indipendente dalla giacitura della superficie su cui si esercita.

La cosa, a questo punto, può esser vista da chi sta nella vasca o da chi sta fuori; provo a trattarla dal punto di vista di chi sta fuori, è meno elegante e sintetico, ma evita le forze inerziali che talvolta non piacciono.

Un volumetto d'acqua [pensiamolo come un cubo, con due facce orizzontali (a, a'), due facce ortogonali alla velocità istantanea (b, b') e le ultime due (c, c') tangenti alle traiettorie] esegue un moto rotatorio a velocità costante in modulo e in modulo proporzionale alla distanza dall'asse, v=f R; esso è soggetto a un'accelerazione orizzontale che cresce proporzionalmente alla distanza dall'asse ed è rivolta verso il centro a=f2R. Quest'accelerazione è dovuta alle pressioni agenti sulle facce due (c, c'), quindi la pressione sulla faccia esterna p(c') è maggiore di quella sulla faccia interna p(c), ma questa maggior pressione può esser dovuta solo a un maggior livello dell'acqua, quindi l'acqua si innalza verso l'esterno.

Vediamo di quanto: Se A è l'area della faccia e M la massa del cubetto dev'essere: A [p(c')–p(c)]=F=Ma=M f2 R. Se collochiamo le due facce (c,c') una a Rr/2 e una a R+r/2, con r<<R vediamo che p proporzionale a R2 risolve il problema, infatti (R+r/2)2–(Rr/2)2 è (circa) 2Rr e quindi proporzionale a R come richiesto. Siccome la pressione è proporzionale all'altezza del liquido, il livello del liquido deve crescere come R2 e questo produce per ogni raggio una parabola, in tutto un paraboloide di rotazione.

Giorgio Calucci Dipartimento di Fisica Teorica, Università di Trieste

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