La forza del vuoto

Mi sto interessando alla forza del vuoto; per esempio, quando da un contenitore si toglie l'aria, qual è la forza che si può sviluppare? Esiste un rapporto tra quella forza e la pressione negativa (o vuoto)?

Martin Martini
20 gennaio 2004
La domanda del lettore equivale un po' a chiedersi per quale meccanismo fisico è possibile bere un liquido con la cannuccia. Per quanto banale possa sembrare, la domanda nasconde problemi di fisica che hanno impegnato gli scienziati per secoli: persino oggi non tutti, anche tra le persone acculturate, sanno dare una risposta rigorosa. C'è chi pensa ancora che ciò avvenga grazie alla forza del vuoto che si produce sopra il liquido all'interno della cannuccia, e ciò credevano anche gli scienziati fino alla metà del Seicento, cioè fino a Torricelli. Lo stesso suo maestro Galileo ne tentò la misura proprio come dice il lettore, ossia togliendo l'aria da un recipiente cilindrico chiuso da un pistone e misurando la forza necessaria per estrarre il pistone stesso. Si parlava di horror vacui, una ripugnanza della natura per il vuoto, per cui essa cercherebbe di impedirne la formazione.

È noto a tutti che occorre uno sforzo per separare due lastre poste a contatto, quando esse siano state accuratamente levigate. Se si solleva quella superiore, quella inferiore si fa trascinare con essa. La vecchia idea era che, nell'allontanamento iniziale, tra le lastre dovrebbe instaurarsi il vuoto, almeno temporaneamente: è appunto a questo che la natura si oppone, facendo resistenza.

La spiegazione vera è che la pressione atmosferica agisce su tutte le superfici esposte all'aria, comunque orientate, ma non su quella tra le due lastre: essa tiene quindi le lastre pressate l'una contro l'altra, suggerendo l'idea che il vuoto agisca da collante. Considerato che la pressione atmosferica è pari a 1 kg-peso su un centimetro quadrato, si vede che due lastre quadrate con lato di 30 cm, se l'aria non si infiltrasse al loro interno, richiederebbero una forza di circa una tonnellata per essere staccate.

Con lo stesso meccanismo si descrive il celebre esperimento degli emisferi evacuati di Magdeburgo, fatto da Otto von Guericke nel 1654.

Sui libri di scuola si legge che "che nemmeno la forza di sedici cavalli riusciva a separarli". Questi risultati ci rammentano, cosa non proprio ovvia, che il peso dell'aria è tutt'altro che disprezzabile: si può calcolare che in un'aula di 20 x 15 x 6 metri cubi, sono contenute quasi due tonnellate e mezza d'aria!

Senza rendersene conto, col suo recipiente evacuato Galileo misurò dunque la forza esercitata dall'atmosfera, pari alla sua pressione per l'area della sezione del recipiente. Le pompe idrauliche ad aspirazione funzionano come il cilindro di Galileo o la cannuccia per bibite: poiché il meccanismo operante è il peso dell'aria e non la forza del vuoto, la massima colonna d'acqua che si può innalzare (quindi il massimo dislivello che si può farle superare pompando in tale maniera) è pari a circa 10 m, giacché essa ha peso eguale a quello dell'intera colonna atmosferica (oppure, se preferiamo, a una colonna di 760 mm di mercurio); vale a dire di 1 kg-peso per ogni centimetro quadrato di sezione.

Andrea Frova Dipartimento di Fisica, Università di Roma "La Sapienza"

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