Pressione

Il concetto di pressione si esprime come una grandezza scalare definita come il rapporto tra il modulo della forza (perpendicolare alla superficie) e l’area della superficie stessa. Nel sistema internazionale delle misure la pressione si misura in pascal (Pa).

\[P=\dfrac{F}{S}\]

Effetto microscopico della pressione.

In meccanica dei fluidi, su scala microscopica, la pressione esercitata da un fluido su di una superficie con cui è in contatto è causata dagli urti delle particelle (atomi o molecole) del fluido stesso contro la superficie con cui entra in contatto. Come conseguenza di un urto, la componente normale alla superficie della quantità di moto di una particella di inverte. La superficie esercita sulla particella una forza impulsiva, e per la terza legge di Newton la particella esercita una forza uguale e contraria, perpendicolare alla superficie (frecce rosse). Dunque la risultante delle forze di reazione esercitate dalle molteplici particelle del fluido, genera la pressione sulla superficie.

Entrando nel dettaglio delle inteazioni, o meglio delle sollecitazioni, sugli oggetti materiali, si nota che i fluidi subiscono soltanto l’effetto della pressione (legge di Pascal), mentre i solidi risentono più generalmente quello della tensione.

Pressione assoluta e pressione relativa

La pressione può essere misurata in maniera assoluta oppure relativa, a seconda che si tenga conto di una pressione di riferimento o meno. La pressione assoluta o reale: è la pressione misurata assumendo come riferimento il vuoto ideale o assoluto (questa misura è indipendente dal clima meteorologico e dall’altitudine). La pressione relativa: è la pressione misurata assumendo come riferimento un’altra pressione (ad esempio quella atmosferica terrestre) presente nell’ambiente di misurazione ed in quel momento.

Pressione negativa

Sebbene la pressione sia, generalmente, positiva in valore, ci sono diverse situazioni in cui si possono incontrare pressioni negative, come ad esempio:

  • in caso di pressioni relative (manometriche); ad esempio, una pressione assoluta di 50 kPa può essere descritta come una pressione relativa di −51 kPa (ovvero 51 kPa al di sotto di una pressione atmosferica di 101 kPa);
  • le pressioni assolute negative sono effettivamente tensioni, e sia i solidi che i liquidi possono essere messi sotto pressione assoluta negativa mettendoli sotto trazione. Microscopicamente, le molecole nei solidi e nei liquidi hanno interazioni “attraenti” (che si attraggono) che superano l’energia cinetica termica, quindi è possibile sostenere una certa tensione interna. Termodinamicamente, tuttavia, un materiale sotto pressione negativa è in uno stato metastabile, ed è particolarmente fragile nel caso di liquidi in cui lo stato di pressione negativa è simile al surriscaldamento, che di conseguenza risulta facilmente suscettibile a fenomeni di cavitazione;
  • l’effetto Casimir può creare una piccola forza attrattiva dovuta alle interazioni in condizioni di vuoto; questa forza è talvolta chiamata “pressione del vuoto” (da non confondere con la pressione relativa negativa di un vuoto);
  • per le sollecitazioni non isotropiche in corpi rigidi, a seconda di come viene scelto l’orientamento di una superficie, la stessa distribuzione di forze può avere una componente di pressione positiva lungo una normale alla superficie, con una componente di pressione negativa che agisce lungo un’altra normale alla superficie;
  • le sollecitazioni in un campo elettromagnetico sono generalmente non isotropiche, con la pressione normale a un elemento superficiale (sollecitazione normale) negativa e positiva per gli elementi superficiali perpendicolari a questo.

Pressione dinamica

La pressione dinamica è la componente dinamica della pressione di un fluido in moto, ovvero indica l’incremento di pressione derivante dalla energia cinetica del fluido. Un esempio classico di pressione dinamica è rappresentato dalla fonte di energia delle imbarcazioni a vela, dei mulini a vento e dei generatori eolici. Essa agisce nella stessa direzione del moto del fluido e viene sempre considerata di segno positivo.

La pressione dinamica dipende dalla velocità e dal peso specifico del fluido. Per conoscere la resistenza di un’oggetto in movimento ad una certa velocità o la spinta su un’oggetto investito dal vento, è necessario calcolare la pressione dinamica.

La pressione dinamica \(q\) viene misurata nel Sistema Internazionale in Pascal, ed è data dalla seguente relazione:

\[q=\dfrac{1}{2}\rho u^2\]

dove \(\rho\) è la densità e \(u\) la velocità di flusso del fluido. Per determinare la pressione in un punto del fluido, la pressione dinamica deve essere sommata alla pressione idrostatica.

Nei lanci spaziali, il punto di massimo della pressione dinamica è il punto corrispondente alla condizione di massimo sforzo meccanico per i veicoli spaziali.

Pressione critica

La pressione critica è la pressione alla quale avviene la liquefazione di un gas quando raggiunge la temperatura critica; in altre parole può considerarsi come il valore limite della pressione di vapor saturo di un liquido alla sua temperatura critica (al di sopra di questo punto non esistono fasi distinte di gas e liquido). Mentre ci si avvicina alla temperatura critica di una sostanza, è noto che le proprietà delle fasi gassosa e liquida diventano le stesse, risultando in una sola fase. A pressioni superiori alla pressione critica la trasformazione del liquido in gas avviene senza passaggio per la fase di vapore, quindi in modo praticamente istantaneo e conservando la continuità delle caratteristiche fisiche.

Il rapporto tra la pressione e la pressione critica prende il nome di pressione ridotta, ed è una quantità adimensionale. La pressione ridotta è utilizzata dal teorema degli stati corrispondenti per il calcolo del fattore di comprimibilità di un gas o di una miscela gassosa.

  • Pressione atmosferica (o barometrica)
  • Pressione osmotica
  • Immagine “effetto microscopico della pressione” da Wikimedia. Pressure exerted by collisions.svg

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