Perché la superficie libera dell’acqua è sempre orizzontale? In realtà non lo è sempre: la superficie degli oceani, per cominciare, segue la curvatura della Terra, e anzi presenta  una specie di bozzi in fuori e  di avvallamenti dovuti alle alte e alle basse maree.  E poi se  prendiamo il caffé con lo zucchero abbiamo certamente osservato che quando si rigira un po’ velocemente  il cucchiaino nella tazza la superficie libera del liquido si solleva ai bordi e forma  un avvallamento al centro.  Il fatto è che il liquido per mantenersi in uno stato di equilibrio si dispone sempre in maniera da non dover scorrere e quindi in modo che tutte le parti della sua superficie libera siano soggette ad una forza perpendicolare alla superficie. Sappiamo  che nelle ristrette dimensioni della nostra esperienza quotidiana il peso di tutti gli oggetti che ci circondano è una forza che agisce lungo una stessa direzione, la verticale, e le verticali sono rette parallele. È per questo che le masse d’acqua che vediamo in quiete intorno a noi hanno la superficie libera piana e perpendicolare alla verticale,  quindi orizzontale. È facile osservare che lo stesso è vero per le superfici di separazione di liquidi non miscibili di diversa densità, per esempio acqua e olio in quiete in un bicchiere.

Ma osservando la superficie dell’acqua in un vaso, guardando attentamente vicino alle pareti del vaso, possiamo scorgere un'incurvatura della superficie piana dell’acqua. La curvatura  segnala l’azione di altre forze oltre al peso: sono le forze derivate dal contatto fra il liquido e la superficie del solido.  Questo fenomeno si osserva bene versando acqua  in un tubo di vetro trasparente molto stretto.   

Pensiamo ora a dimensioni più vaste  di quelle del mondo che immediatamente ci circonda, quelle della Terra. Riferendoci a tutta la superficie della Terra non possiamo più affermare che il peso degli oggetti è diretto sempre lungo rette parallele. In questo caso è corretto affermare che il peso è diretto lungo rette che passano per il centro della Terra. Ma allora cambia anche  la forma della superficie di equilibrio delle acque che coprono buona parte della Terra. Poiché la superficie di equilibrio delle acque deve essere perpendicolare al peso non sarà orizzontale, ma assumerà una forma appunto grosso modo sferica.  La superficie orizzontale che vediamo è solamente l’approssimazione della superficie sferica ai occhi nostri,  che siamo un puntolino sulla sfera.

Si è scritto che la superficie che seguono le acque dei mari è solamente grosso modo sferica. Ciò perché ci sono altre forze che agiscono sull’acqua e di cui dobbiamo tenere conto.  La superficie delle acque che sarebbe quella dovuta alle forze della gravità subisce deformazioni dovute alle forze di marea ed a quelle che generano i moti ondosi.  Inoltre la rotazione della Terra mette in gioco altre forze ancora,  che sono perpendicolari all’asse di rotazione della Terra. Queste forze  hanno valore massimo dove è massima la distanza dall’asse, quindi praticamente lungo l’equatore. Anche se il loro effetto è assai inferiore a quello dovuto alla gravità terrestre  a causa di esse  la superficie delle acque risulta  quella di una sfera lievemente oblunga, schiacciata ai poli.

Tornando alle osservazioni nel nostro mondo quotidiano pensiamo alla forma di una goccia d’acqua che cade:  perché la sua forma è mediamente sferica?  Il fatto è che durante la caduta le sole forze che agiscono sull’acqua alla superficie sono quelle relative alla tensione superficiale. La tensione superficiale esprime il fatto che bisogna fornire energia per aumentare la superficie di un liquido. Per questo motivo il liquido, in assenza di altre forze,  si configura in modo da assumere la superficie minima compatibile con il suo volume, e la configurazione con questa proprietà è appunto la sfera.  Ne sono esempi, oltre alle gocce d’acqua abbastanza piccole che cadono da un rubinetto,  le bolle di sapone.   

Infine torniamo alla massa di liquido messa in rotazione, il caffé rigirato con il cucchiaino oppure  un liquido in una centrifuga. Quando il contenitore della centrifuga viene messo in rotazione  prima si muovono le parti periferiche del liquido, quelle a contatto con il recipiente,  poi, via via, quelle più vicine all’asse di rotazione. Contemporaneamente si vede che la superficie, che prima era orizzontale, si deforma abbassandosi nella parte centrale e sollevandosi alla periferia. Dopo qualche tempo l’intera massa liquida ruota con il recipiente assumendo una configurazione di equilibrio in cui la superficie libera ha la forma di un paraboloide con asse verticale. Una interessante applicazione di questo fatto sono  gli specchi rotanti per telescopi fissi rivolti allo zenith. All’indirizzo  http://www.astro.ubc.ca/LMT/lzt/  si trovano fotografie e informazioni sul telescopio zenitale attivo presso l’Università della British  Columbia.