L'energia dello stoppino

fluidodinamica060405

Immergendo uno stoppino in un liquido, notiamo che esso tende a salire bagnando lo stoppino a un'altezza superiore a quella del livello del liquido. Visto che per sollevare una qualsiasi massa occorre un'energia, mi domando da dove deriva tale energia.

Leonardo Ascione
23 gennaio 2006
Il liquido sale lungo lo stoppino, al di sopra della superficie liquida in cui è immerso, per effetto delle forze di tensione superficiale (forze capillari o capillarità), ovvero delle forze tangenziali di natura elettrochimica che si manifestano su di una qualunque superficie di separazione tra solidi e fluidi e tra fluido e fluido. Nel caso specifico, a parità di altre condizioni, il liquido sale muovendo lungo i piccolissimi canalicoli formati dalle fibre dello stoppino, in misura tanto maggiore quanto minore è la dimensione di tali canalicoli. Il fenomeno non è dissimile da quello che si osserva nei terreni costituiti da materiali porosi, nei quali, al di sopra del livello della falda freatica, si riscontra la presenza di una frangia capillare occupata da liquido.

Al riguardo può essere utile un banale esperimento che consiste nell'immergere in un recipiente pieno d'acqua un tubo di piccolo diametro (tubo capillare). Se ad esempio utilizziamo un tubicino del diametro di 2mm vedremo l'acqua salire al suo interno per oltre 15mm al di sopra della superficie libera dell'acqua contenuta nel recipiente. Se ripetiamo l'esperimento immergendo lo stesso tubicino in un recipiente di mercurio, osserveremo invece il mercurio portarsi all'interno del tubo capillare ad un livello inferiore di 7mm rispetto a quello del recipiente esterno. Tutto questo in base alla ben nota legge di Jurin (1718).

Il diverso comportamento dipende dalla diversa forma del menisco cui i due liquidi danno luogo all'interno del tubo capillare. Nel caso dell'acqua, e di tutti i liquidi che bagnano la parete che li contiene, il menisco ha la propria concavità rivolta verso l'alto e le forze di tensione superficiale danno luogo ad una componente risultante a sua volta rivolta verso l'alto, che riduce la pressione passando dall'esterno (aria) all'interno della colonna liquida: per questo motivo il liquido sale. L'opposto si verifica nel caso del mercurio e di tutti i liquidi che non bagnano la parete. La domanda, pertanto, contiene una osservazione non corretta, laddove ignora che nel caso considerato, accanto alle forze gravitazionali, assumono un ruolo non trascurabile le forze di tensione superficiale, che sono a loro volta in grado di produrre lavoro.

Luigi D'Alpaos Dipartimento di Ingegneria idraulica, marittima, ambientale e geotecnica, Università di Padova

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