Perché le navi galleggiano? Il principio di Archimede

Non puoi camminare sull’acqua: se ci provi affondi come un sasso. Invece una portaerei può galleggiare senza problemi, anche se è lunga oltre 300 m, è almeno un milione di volte più pesante di te, e trasporta circa 70 aerei e 4000 marinai. Allora la domanda sorge spontanea: perché le navi galleggiano? Le grandi navi, ma anche le più piccole barche, sono un brillante esempio di come la scienza può essere utilizzata per risolvere i più disparati problemi, anche quelli che sembrano più ostici. Oltre i due terzi della superficie terrestre sono coperti d’acqua, quindi sin dalla sua nascita l’essere umano ha dovuto ingegnarsi per dominare i fiumi e le onde, costruendo imbarcazioni che gli permettessero di muoversi e trasportare merci sfruttando le naturali strade acquatiche. Per millenni fiumi, mari e oceani sono state le strade più veloci da percorrere: anche per questo le più antiche civiltà sono sorte in prossimità di fiumi e mari, e ancora oggi numerose metropoli sono situate sulla costa o in riva a un fiume. Scopriamo come gli antichi riuscirono a dominare le acque per iniziare a muoversi, fino ad arrivare ai giganti d’acciaio che oggi solcano mari e oceani.

COS’È UNA NAVE?

Potrebbe sembrare una domanda dalla risposta scontata, ma non è così. Per capire perché le navi galleggiano, è fondamentale dare prima una definizione precisa del soggetto. Una nave è un veicolo che può galleggiare e spostarsi nell’oceano, in un fiume o in un lago, sfruttando la potenza dei motori o degli uomini a bordo oppure usando l’energia degli elementi, soprattutto il vento, ma anche le onde. La maggior parte delle navi si sposta in parte sommersa e in parte sopra l’acqua, ma ce ne sono alcune, come hovercraft e aliscafi, che emergono completamente sopra il pelo dell’acqua, mentre altre, chiamate sottomarini e sommergibili, si muovono interamente sott’acqua.

PERCHÉ LE NAVI GALLEGGIANO?

Ora proveremo a rispondere alla domanda: perché le navi galleggiano? Ovviamente tutte le navi possono galleggiare, ma nonostante sia così diffuso e apparentemente facile da applicare, il galleggiamento è più complesso e confuso di quanto sembri; per semplificare occorre iniziare parlando del concetto fisico di galleggiabilità, che è la forza che provoca il galleggiamento. Qualsiasi oggetto galleggerà o affonderà nell’acqua a seconda della sua densità. Se è più denso dell’acqua, affonda; se è meno denso, galleggia. Le dimensioni dell’oggetto non contano: un anello d’oro affonderà nell’acqua, mentre un pezzo di plastica grande come un campo da calcio galleggerà. La regola di base è che un oggetto affonda se pesa più di una quantità d’acqua pari al volume dell’oggetto. Ma questo non spiega perché una portaerei realizzata per la maggior parte con materiali più densi dell’acqua riesca a galleggiare; è necessario approfondire.

La galleggiabilità

La galleggiabilità è la capacità di un corpo di mantenersi sulla superficie di un liquido. Questa proprietà è più facile da comprendere prendendo in considerazione un sottomarino, che la sfrutta sia per scendere in profondità che per risalire sopra il pelo dell’acqua. Ogni sottomarino ha dei serbatoi di zavorra che può riempire con l’acqua del mare per scendere oppure svuotare dall’acqua e riempire d’aria per risalire. Se i suoi serbatoi sono completamente pieni d’aria, il sottomarino ha galleggiabilità positiva: i serbatoi pesano meno di un uguale volume di acqua e fanno galleggiare il mezzo sulla superficie del mare. Se i serbatoi sono parzialmente riempiti di aria, è possibile far galleggiare il sottomarino ad una profondità media senza sollevarsi né scendere più in profondità; in questo caso si parla di galleggiabilità neutra. L’ultima opzione è quella di riempire i serbatoi completamente d’acqua. In questo caso, il sottomarino ha galleggiabilità negativa, e scende sempre più in profondità.

Galleggiabilità sulla superficie dell’acqua

È superfluo dire che le navi non funzionano come i sottomarini. Ovviamente non affondano mai completamente sott’acqua, ma non è neanche corretto dire che galleggino completamente al di sopra del pelo dell’acqua, a parte poche eccezioni rappresentate da aliscafi, hovercraft e altri rari tipi di imbarcazione. Una barca galleggia in parte e affonda in parte in base al proprio peso e al peso che trasporta; maggiore è la somma di questi due pesi, più in basso si trova in acqua. Per navigare in sicurezza, è fondamentale sapere quanto peso possiamo mettere su una nave senza rischiare di affondare. Come possiamo capirlo?

Il principio di Archimede

Il primo che rispose a questa domanda fu il matematico greco Archimede nel III secolo a.C.. Una leggenda narra che gli era stato affidato il compito di scoprire se una corona prodotta per un re era di oro massiccio oppure un falso realizzato con una miscela di oro e argento. Archimede notò come il livello dell’acqua salisse quando si immergeva nella vasca da bagno. Sfruttò questo principio per misurare con facilità e alta precisione il volume di un oggetto molto complesso come la corona, immergendola in un secchio d’acqua e misurando l’aumento di volume del liquido. Poi calcolò il peso della corona e quindi la sua densità, dividendo la massa per il volume. Infine confrontò la densità ottenuta con quella nota dell’oro. Se la densità era inferiore a quella dell’oro, la corona era chiaramente un falso. Fu grazie a quest’episodio che Archimede iniziò ad interessarsi alle proprietà dei corpi che galleggiano o affondano in acqua.

Dopo anni di studi ed esperimenti formulò la famosissima legge della fisica ora conosciuta come Principio di Archimede: ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido (liquido o gas) riceve una spinta verticale dal basso verso l’alto uguale per intensità al peso del fluido spostato. Se un oggetto è completamente immerso, questa forza diretta verso l’alto sembra ridurne il peso. Ecco perché qualsiasi oggetto sembra più leggero quando lo raccogli da sott’acqua rispetto a quando lo porti in superficie e lo sollevi in ​​aria. Tutto ciò spiega perché il peso di una nave, compreso il carico, viene chiamato dislocamento: se l’oceano fosse una ciotola d’acqua riempita fino all’orlo, il dislocamento di una nave sarebbe il peso dell’acqua che si riverserebbe fuori dalla ciotola quando la nave viene in parte immersa nell’acqua.

La spinta dell’acqua

Noto il principio di Archimede, possiamo finalmente spiegare nel dettaglio perché le navi galleggiano. Una portaerei occupa un volume enorme, quindi il suo peso è distribuito su una vasta area dell’oceano. L’acqua è un liquido abbastanza denso ed è praticamente impossibile da comprimere. Queste proprietà le permettono di esercitare molta pressione: l’acqua spinge in ogni direzione. Quando una portaerei si trova sull’acqua, parzialmente sommersa, la pressione dell’acqua è bilanciata in ogni direzione tranne che verso l’alto: c’è una forza netta che sostiene la barca da sotto. La nave affonda nell’acqua tirata giù dal suo peso finché la spinta dell’acqua non controbilancia quest’azione. Se la nave pesa meno del volume massimo di acqua che potrebbe mai spostare, galleggia. O meglio, affonda nell’acqua fino a quando il suo peso e la spinta verso l’alto non si bilanciano esattamente. Più carico aggiungi ad una nave, più pesa e più dovrà affondare affinché la spinta verso l’alto bilanci il suo peso; scendendo più in profondità sposta un volume maggiore d’acqua, e quindi per il principio di Archimede aumenta anche la spinta verso l’alto che la nave riceve dall’acqua. Se la barca continua ad affondare fino a quando non scompare completamente sott’acqua, significa che non è stato spostato un volume sufficientemente grande d’acqua per generare abbastanza spinta; in altre parole, se la barca pesa più del volume totale di acqua che può spostare, affonda.

La densità media

Un problema però è rimasto irrisolto. Le navi sono spesso costruite con materiali più densi dell’acqua, quindi in teoria comunque non dovrebbero galleggiare. Per risolvere questo dilemma occorre un esempio. Bisogna immaginare una portaerei come se fosse una gigantesca scatola di metallo dello stesso volume, parzialmente riempita di motori, aeroplani, marinai e tutto il resto del carico, e quindi anche con lo stesso peso dell’imbarcazione. Questa scatola galleggia se pesa meno di una scatola delle stesse dimensioni riempita d’acqua; altrimenti affonda. Ma la maggior parte della scatola è riempita d’aria, che è molto meno densa dell’acqua. Quindi la sua densità media è inferiore a quella dell’acqua, e la portaerei galleggia.

COME FANNO LE NAVI A NON CAPOVOLGERSI?

Ora che sappiamo perché le navi galleggiano, proviamo a risolvere altri dubbi riguardanti i mezzi che l’uomo utilizza per spostarsi in acqua. Se sei mai salito su una piccola barca a remi legata a un molo, saprai quanto possa essere instabile quando inizi a caricarla. Quando ti trovi su una barca, ne diventi effettivamente parte, quindi ne modifichi il centro di gravità, spostandolo verso l’alto. Dato che di solito si entra in una barca di lato, nel momento in cui sali a bordo sposti il baricentro verso il punto da cui sali. Ora il baricentro non è più al di sopra del centro della barca e quindi l’imbarcazione inizia ad oscillare. Una barca può oscillare da un lato all’altro liberamente. Ciò rende le barche più piccole relativamente facili da capovolgere. Per aumentare la stabilità bisogna sedersi o comunque fare di tutto per abbassare il centro di gravità. Le navi più grandi non soffrono di questo problema. In primo luogo perché i pesanti motori vengono posti molto in basso sotto il livello dell’acqua, il che conferisce loro un baricentro basso e le rende più stabili. In secondo luogo, la loro grande chiglia aiuta a smorzare le oscillazioni e ad evitare i ribaltamenti.

COME SI MUOVE UNA NAVE?

Quando ci muoviamo sulla terra dobbiamo opporci alla forza di gravità. Ma essa non è un problema quando ti muovi in acqua perché il tuo corpo, come le navi, galleggia: il corpo umano, composto principalmente d’acqua, ha una densità leggermente inferiore dell’acqua stessa. La forza che si oppone al nostro movimento in acqua, e quindi anche a quello delle navi, è un’altra: la resistenza fluidodinamica. Maggiore è il peso di una barca, più va a fondo e maggiore è la resistenza dell’acqua al suo movimento. Ecco perché le navi hanno prue strette e affusolate e bordi curvi, in modo da spingere l’acqua verso l’esterno e ridurne in tal modo la resistenza. Gli aliscafi spingono questa idea al limite usando ali sottomarine per sollevare lo scafo e librarsi al di sopra della superficie del mare mentre si muovono, praticamente azzerando la resistenza fluidodinamica dell’acqua. Anche le navi in mare, come i mezzi terrestri, per muoversi obbediscono alle tre leggi della dinamica di Newton:

1. rimangono ferme fino a che una forza non le spinge;
2. l’accelerazione che ricevono quando una forza le spinge è direttamente proporzionale alla spinta e inversamente proporzionale alla massa;
3. Se una barca vuole andare avanti, deve applicare una forza di spinta all’indietro;

La maggior parte delle barche utilizza uno dei seguenti tre metodi per ricevere una spinta: motori, remi o vele.