Organismi sotto pressione

Quale pressione?

La parola “pressione” è certamente molto usata nella vita quotidiana. La “alta pressione” e “bassa pressione” delle previsioni del tempo, la “pressione” dei pneumatici delle nostre autovetture, la “pentola a pressione” con cui cuciniamo le nostre vivande per arrivare persino alla “pressione psicologica” che possiamo avvertire in determinate situazioni o alla “pressione fiscale”.
La pressione di cui ci occupiamo in questo articolo è la pressione che viene applicata ai corpi che sono immersi in un fluido.
Questo perchè tutti gli organismi viventi sono immersi in qualche tipo di fluido che può essere gassoso, per gli animali di superficie, o liquido, per gli animali acquatici.
Ciò che rende a volte controintuitivi alcuni fenomeni legati alla pressione è il fatto che, quando proviamo a raffigurarci il suo effetto su un corpo, istintivamente ci immaginiamo una forza che agisce su qualcosa. Non abbiamo tutti i torti, perchè ciò che effettivamente esperiamo è proprio una forza, ma la pressione è qualcosa di leggermente diverso: è una forza per unità di superficie.

La definizione fisica del termine “pressione” appare così:

La formula di cui sopra ci fa vedere che la pressione è una grandezza che mette in relazione una forza con la superficie su cui questa forza agisce.
Il simbolo di perpendicolarità applicato alla F della forza sta a significare che, nel caso in cui la forza e la superficie, su cui questa è applicata, non siano perfettamente ortogonali, allora solo la una parte della forza dovrà essere considerata.
Un concetto di questo genere può sembrare superfluo quando si ha a che fare con corpi solidi. In fondo se appoggiamo un chilo di sale sul tavolo, questo sentirà il peso del sale indipendentemente dall’estensione della sua superficie.
Usare la pressione diventa pressochè indispensabile quando si ha a che fare con i fluidi i quali tendono a distribuirsi, insinuarsi, bagnare tutte le superfici con cui possono venire a contatto.
In questi casi può essere alquanto difficile determinare la forza che agisce su ogni piccola, e variamente orientata porzione di superficie.

La pressione idrostatica

Immaginiamo di avere un contenitore pieno di liquido e che questo liquido sia suddiviso in una moltitudine di cubetti fittamente impilati uno sopra l’altro e uno di fianco all’altro.
Ciascuno di questi cubetti risentirà essenzialmente di due forze: la forza di gravità che lo tira verso il basso, contro i cubetti che sono sotto di lui, e la forza che riceve dai cubetti circostanti.
Si tratta di due forze diverse in quanto la prima è una forza che dipende dalla massa del cubetto considerato, mentre l’altra è proporzionale alla sua superficie.
Se il fluido nel contenitore immaginario è in quiete, ogni cubetto scambierà la stessa forza con in cubetti che lo circondano. Se così non fosse, la differenza di forza farebbe muovere il cubetti, ma abbiamo ipotizzato di avere a che fare con un fluido è in quiete, quindi, anche se sono fatti di acqua o di aria, i nostri cubetti possiamo immaginarli rigidi e indeformabili.
Inoltre ogni cubetto sopporta il peso di tutti i cubetti che sono sopra di lui. Questo significa che i cubetti che sono più in basso sentiranno una forza maggiore perchè più alta è la colonna di cubetti sopra di loro. Se ora i nostri cubetti ideali diventano piccoli, piccolissimi, infinitesimi, anche la forza di cui abbiamo parlato diventa una forza distribuita. In una parola, stiamo parlando di pressione e in particolare di pressione idrostatica perchè è il tipo di pressione che si trova in un fluido in condizioni statiche.
Questo risultato viene quantificato dalla legge di Stevino la quale afferma che, in un fluido in quiete, la pressione è in ogni punto uguale al prodotto della densità del fluido per la sua profondità rispetto alla quota del pelo libero:

L’aumento della pressione con la profondità può essere facilmente verificato anche in casa con un semplice esperimento come mostrato in figura.

La pressione è maggiore in corrispondenza dei fori più bassi e riesce a spingere lo zampillo più lontano. Non è esattamente una condizione statica come la abbiamo descritta prima, ma il principio funziona ugualmente.

Il ragionamento fatto finora ci aiuta anche a comprendere il principio dei vasi comunicanti.
Se uno dei vasi avesse un livello più basso o più alto, i suoi “cubetti di fluido” si troverebbero ad avere una pressione diversa rispetto ai cubetti omologhi degli altri vasi. Questo causerebbe uno squilibrio che verrebbe appianato attraverso un flusso di liquido da un vaso all’altro portando al pareggio dei livelli di liquido nei vasi comunicanti.

Un’ulteriore effetto della pressione idrostatica all’interno del liquido è conosciuto meglio come spinta di Archimede, così chiamata perchè descritta e dimostrata da Archimede di Siracusa nel III secolo a.C.

Il principio di Archimede afferma che “ogni corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido che sposta”.
Se consideriamo un corpo estraneo immerso in un liquido, il discorso dei cubetti sopra esposto ci aiuta a capire meglio. Da un punto di vista dei cubetti di liquido, di cui tutta la massa fluida è composta, il fatto che vi sia un corpo estraneo immerso è ininfluente. Essi continueranno a scambiarsi le stesse forze di superficie l’uno con l’altro e a risentire delle stesse forze di massa, come se tutta la massa fosse omogenea e composta di fluido.
Questo vale anche per i cubetti che sono a diretto contatto con il corpo estraneo: essi applicheranno alla sua superficie la stessa pressione che applicherebbero ad una massa fluida che si trovasse in quella posizione.
Il corpo estraneo, per il principio di azione e reazione, ricambia la pressione del fluido sulla sua superficie con la stessa forza. Quello che non si bilancia è la forza peso. Il corpo estraneo risente di una forza peso che dipende dalla sua massa e non è detto che a parità di volume, la sua massa sia la stessa dei quella di un analogo volume di fluido.
In breve il liquido applica al corpo estraneo una forza di superficie come se fosse anch’esso fatto della stessa sostanza. L’oggetto però non è liquido e, se la sua densità è maggiore di quella del fluido, il peso vince e l’oggetto affonda. Se la sua densità è minore, il fluido vince e l’oggetto galleggia.

Di questo ne sono ben coscienti i pesci che nel fluido ci vivono, come vedremo nel prossimo paragrafo.

La pressione idrostatica e la spinta di Archimede sono presenti anche in ambiente gassoso.
Quando si ha a che fare con i gas, la loro estrema sensibilità alla temperatura e la loro estremamente scarsa densità fanno sì che, per avere variazioni sensibili nei valori di pressione, bisogna considerare dislivelli di centinaia di metri.

Per avvertire la spinta archimedea è necessario immergere nell’aria un volume molto grande di aria a densità minore, come accade con i palloni aerostatici.
Ma l’effetto esiste ed è largamente responsabile di tanti fenomeni atmosferici in cui la differente densità, dovuta al differente riscaldamento, provoca lo spostamento delle masse d’aria.
In fotografia è visibile un tipico barometro che mette in correlazione la pressione con il bello o brutto tempo. Proprio perchè, generalmente, si verifica l’associzione: pressione alta, aria fredda, alta umidità da un lato e pressione bassa, aria calda, bassa umidità dall’altro.