Sapete perché le navi galleggiano nonostante la loro grandezza?

Perché una pietra affonda ma una nave galleggia sull’acqua? È una domanda che ci poniamo tutti durante l’infanzia, chiunque al mondo si chiede come fanno le barche a non affondare, perché sono molto voluminose e pesanti. Nonostante tutto riescono a rimanere in superficie e a trasportare anche carichi molto pesanti per lunghe traversate sia marittime che oceaniche.

Beh, ad un primo sguardo non sembra facile che oggetti simili sopravvivano senza mai cadere negli abissi marini; cioè, se lanciamo una pietra o un chiodo in acqua, affonderanno inesorabilmente, come fa un oggetto cento volte più grande e pesante a non fare la stessa fine? La spiegazione tuttavia è molto semplice e risale agli albori della civiltà, le navi infatti riescono a non affondare in virtù del principio di Archimede.

Quanti si ricordano del principio di Archimede? Probabilmente è andato perduto come la gran parte delle nozioni apprese durante la frequenza scolastica; in questo articolo proveremo a spiegare questa semplice teoria matematica per svelare l’arcano mistero per il quale le navi galleggiano e non affondano.

Proviamo con un semplice esempio: riempiamo un bicchiere fino all’orlo con dell’acqua e mettiamoci un oggetto qualsiasi, cosa succede? L’acqua sicuramente traboccherà dal bordo. Questo succede perché l’acqua non è un materiale compresso come i gas e dunque ha bisogno di spazio. Se l’oggetto messo in acqua sottrae dello spazio, l’acqua per riappropriarsi del proprio spazio uscirà dai bordi.

E la quantità di acqua che uscirà dal bicchiere sarà direttamente proporzionale al volume dell’oggetto introdotto, ad esempio se nel bicchiere mettiamo un cubo lungo un centimetro per ogni lato (quindi di un volume pari ad un centimetro cubo), l’acqua che fuoriuscirà dal bicchiere sarà di una quantità pari ad un centimetro cubo di liquido.
Ma non tutti gli oggetti che si inseriscono in un bicchiere affondano, molti elementi si limitano a galleggiare. Questo succede perché esiste una forza ascendente che è in grado di opporsi al peso dell’acqua. Ma come facciamo a calcolare quella forza?

Torniamo per un momento all’esempio dell’acqua che trabocca dal bicchiere introducendo un oggetto al suo interno: una parte del liquido viene immediatamente espulsa dal contenitore. Ma cosa potrà mai succedere nel caso in cui il bicchiere non sia completamente pieno fino all’orlo? Ebbene, si nota subito che l’altezza del liquido tende ad aumentare una volta che l’oggetto è stato inserito. In breve, quando si introduce un oggetto in un liquido, il livello del liquido aumenta per fare spazio all’oggetto.

Ma ecco che a questo punto entra in ballo la forza di gravità, che si oppone ed evita agli oggetti di salire. Il liquido viene attirato dalla forza di gravità e spinge verso il basso con tutto il suo peso per permettere all’oggetto di stare a galla. Ed ecco qui il principio di Archimede: Un corpo completamente o parzialmente immerso in un fluido a riposo subisce una spinta verticale verso l’alto pari al peso del volume di fluido rimosso dal corpo stesso.

Dunque ci sono due forze in gioco: la prima è il peso dell’oggetto che si spinge verso il fondo, la seconda è il liquido che è stato tolto e che tende ad alzare il suo livello per riacquistare lo spazio che gli è stato sottratto dal peso dell’oggetto.

A questo punto succedono due cose: nel primo caso, se la forza dell’oggetto è maggiore, l’oggetto affonda perché la massa dell’oggetto è superiore al volume dell’acqua. Nel secondo caso invece, ovvero se il peso del liquido è maggiore rispetto alla massa dell’oggetto, quest’ultimo galleggia. Dunque la forza che fa fluttuare l’oggetto ha a che fare con lo spazio che esso occupa nel liquido, più liquido esso riesce a spostare, più aumenterà la spinta verso l’alto.

E questa è la legge che spiega perché oggetti come il legno riescono a galleggiare in superficie, ovvero perché hanno una massa ridotta ad alto volume. E con questa stessa legge si spiega il perché gli oggetti cavi, come le navi d’altronde, riescono a stare a galla.
Dunque quello che accade non è affatto una magia, la nave sta a galla semplicemente perché al suo interno essa è cava.

Alcune Curiosità sul principio di Archimede:
Archimede di Siracusa è nato nel 288 avanti Cristo ed era un inventore, un astronomo, un matematico e un ingegnere, insomma stiamo parlando di uno dei più importanti scienziati dell’antichità. I suoi principi ed i suoi teoremi continuano ad essere studiati ancora oggi in tutto il mondo. Ma come è arrivato Archimede a trarre queste conclusioni sulla forza, sulla spinta, sulla massa, sul volume e su tutti gli elementi che sono in grado di spiegare la galleggiabilità o l’affondamento di tutti gli oggetti? Beh in realtà questo è frutto di alcuni esperimenti che gli furono commissionati dal re.

In pratica diedero ad Archimede il compito di scoprire se nella corona del re fosse stato aggiunto soltanto dell’oro puro o altre sostanze meno pregiate. Durante la sua indagine trovò la soluzione un attimo prima di entrare nella vasca da bagno. Si narra che corse nudo attraverso la città gridando “Eureka!” che in greco significa “L’ho trovato!”

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