Le leggi dei circuiti idraulici ed elettrici

Enigma Matematico

Buongiorno, si utilizza spesso l'analogia tra circuiti idraulici e elettrici, infatti la legge di Ohm è analoga a quella di Poiseuille (e anche a quella di Fick), nel senso che esiste un termine che indica la forza che spinge, uno che indica il flusso dell'entità spinta e uno che indica la resistenza che si oppone al moto. Volevo sapere come mai nei circuiti elettrici si utilizza la grandezza fisica del potenziale (che è l'energia su unità di carica), mentre nei circuiti idraulici la pressione (che è una forza su superficie).

Grazie

alessandro irato
30 settembre 2009

La risposta sta nel considerare da una parte le dimensioni fisiche delle grandezze in gioco, dall’altra parte le analogie tra i due tipi di circuiti.

Cominciamo con le analogie, considerando per semplicità circuiti “serie” in condizioni stazionarie.

- Il fluido che circola in un circuito idraulico chiuso (e orizzontale per evitare le complicazioni di un sollevamento e successiva caduta) è spinto da una pompa che genera una differenza di pressione ai propri capi: alta in corrispondenza dell’uscita del fluido dalla pompa, bassa in corrispondenza del ritorno del fluido nella pompa. La differenza di pressione tra i due capi della pompa corrisponde alla cosiddetta perdita di carico causata da eventuali dispositivi utilizzatori del fluido in transito e dagli attriti interni al sistema.

- Il flusso delle cariche elettriche che circolano nel circuito elettrico è spinto da una batteria (o altro generatore elettrico) che genera una differenza di potenziale ai propri capi mediante l’accumulo di carica positiva a un polo e negativa all’altro polo. La differenza di potenziale è uguale alla somma delle cadute di potenziale lungo il circuito, dovute all’energia trasferita dalle cariche in transito agli eventuali dispositivi utilizzatori e alla resistenza passiva dei conduttori.

In entrambi i casi la portata di ciò che circola è costante: se il fluido è incompressibile, in ogni tratto del circuito idraulico transiterà lo stesso volume di fluido per unità di tempo. L’intensità della corrente ha lo stesso valore in ogni tratto del circuito elettrico perciò anche il flusso delle cariche vi si comporta come quello di un fluido incompressibile.

La grandezza che collega i due ambiti, quello elettrico e quello idraulico, non è la forza ma l’energia. Nel circuito idraulico, l’energia si calcola come prodotto di una pressione per un volume: per far compiere un giro completo del circuito a un volume V di fluido occorre l’energia V x deltaP dove deltaP è la differenza di pressione ai capi della pompa, uguale alla perdita di carico.

Nel circuito elettrico, come osserva giustamente chi pone la domanda, l’energia si calcola come prodotto di una differenza di potenziale per una carica elettrica: per far compiere un giro completo del circuito alla carica Q occorre l’energia Q x deltaV, dove deltaV è la differenza di potenziale ai capi del generatore.

La simmetria tra le due espressioni è palese. La pressione e la differenza di potenziale elettrica non sono la stessa cosa e neppure il volume e la carica elettrica sono la stessa cosa. In ciascun ambito, però, i rispettivi prodotti restituiscono la misura della stessa grandezza fisica.

Silvia Pugliese Jona Associazione per l'Insegnamento della Fisica (AIF)

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