tuffatore cartesiano - Cartesian diver

Dimostrazione di galleggiamento e affondamento (subacqueo cartesiano). Il tubo è riempito con acqua e aria. Quando si preme la bottiglia, l'acqua aggiuntiva entra nella provetta, aumentando così la densità media del sistema tubo-acqua-aria, con conseguente galleggiabilità negativa e il tubo affonda.
Diavolo cartesiano danzante
Giocattolo in vetro soffiato a mano da Lauscha , Foresta Turingia
In bottiglia

Un subacqueo cartesiano o diavolo cartesiano è un classico esperimento scientifico che dimostra il principio di galleggiabilità ( principio di Archimede ) e la legge dei gas ideali . La prima descrizione scritta di questo dispositivo è fornita da Raffaello Magiotti , nel suo libro Renitenza certissima dell'acqua alla compressione pubblicato nel 1648. Prende il nome da René Descartes come il giocattolo che si dice abbia inventato da lui.

Il principio viene utilizzato per realizzare piccoli giocattoli spesso chiamati "danzatori d'acqua" o "diavoli d'acqua". Il principio è lo stesso, ma il contagocce viene invece sostituito con un oggetto decorativo con le stesse proprietà che è un tubo di galleggiamento quasi neutro, ad esempio una bolla di vetro soffiato . Se la coda della bolla di vetro viene ruotata, il flusso dell'acqua dentro e fuori la bolla di vetro crea una rotazione. Ciò fa sì che il giocattolo ruoti mentre affonda e si alza. Un esempio di un tale giocattolo è il "diavolo" rosso mostrato qui. Il dispositivo ha anche un pratico utilizzo per misurare la pressione di un liquido .

I subacquei di plastica sono stati regalati in scatole di cereali americane come regali pagati negli anni '50 e "Diving Tony", una versione del giocattolo modellata sulla mascotte di Kellogg's Frosted Flakes, Tony the Tiger , è stata resa disponibile negli anni '80.

Descrizione dell'esperimento

L'esperimento richiede una grande bottiglia piena d'acqua, all'interno della quale c'è un "subacqueo": un piccolo tubo rigido, aperto a un'estremità, molto simile a un contagocce con aria appena sufficiente per galleggiare quasi in modo neutro , ma ancora abbastanza galleggiante che galleggia in alto pur essendo quasi completamente sommerso. Si possono costruire due "subacquei" alternativi. Una lampadina sigillata ma flessibile, e l'altra una lampadina di vetro sigillata (torcia senza base in metallo) con fili di lana che si trascinano sotto. Quello flessibile comprimerà riducendo il volume e quello di vetro solido non cambierà, ma le bolle d'aria saranno intrappolate nelle fibre e saranno esposte alla pressione - quindi cambierà volume.

Il "tuffo" si verifica quando la parte flessibile del contenitore più grande viene premuta verso l'interno, aumentando la pressione all'interno del contenitore più grande, facendo affondare il "subacqueo" sul fondo fino a quando la pressione viene rilasciata, quando risale in superficie. Se il contenitore è rigido, come con una bottiglia di vetro, il tappo che sigilla la bottiglia verrebbe premuto verso l'interno o tirato verso l'esterno.

Dentro una bottiglia ovale
Un tuffatore inverso
Un subacqueo a doppia azione

C'è appena sufficiente aria nel subacqueo per renderlo positivamente capace di galleggiare . Pertanto, il subacqueo galleggia sulla superficie dell'acqua. Per la legge di Pascal , la compressione del contenitore ermetico aumenta la pressione dell'aria, parte della quale viene esercitata contro l'acqua che costituisce una "parete" del contenitore ermetico. Quest'acqua a sua volta esercita una pressione aggiuntiva sulla bolla d'aria all'interno del subacqueo; poiché l'aria all'interno del subacqueo è comprimibile ma l'acqua è un fluido incomprimibile, il volume dell'aria è diminuito ma il volume dell'acqua non si espande, per cui la pressione esterna al subacqueo a ) spinge l'acqua già nel subacqueo ulteriormente verso l'interno e b ) spinge l'acqua dall'esterno del subacqueo nel subacqueo. Una volta che la bolla d'aria diventa più piccola e più acqua entra nel subacqueo, il subacqueo sposta un peso d'acqua inferiore al proprio peso, quindi diventa galleggiante negativamente e affonda secondo il principio di Archimede . Quando la pressione sul contenitore viene rilasciata, l'aria si espande nuovamente, aumentando il peso dell'acqua spostata e il subacqueo torna a galleggiare positivamente e galleggia.

Si potrebbe pensare che se il peso dell'acqua spostata corrispondesse esattamente al peso del subacqueo, non si alzerebbe né affonderebbe, ma galleggerebbe nel mezzo del contenitore; tuttavia, ciò non si verifica nella pratica. Supponendo che un tale stato dovesse esistere ad un certo punto, qualsiasi allontanamento del subacqueo dalla sua profondità attuale, per quanto piccolo, altererà la pressione esercitata sulla bolla nel subacqueo a causa del cambiamento del peso dell'acqua sopra di esso nella nave . È un equilibrio instabile . Se il subacqueo si alza, anche di una quantità minima, la pressione sulla bolla diminuirà, si espanderà, sposterà più acqua e il subacqueo diventerà più galleggiante, risalendo ancora più rapidamente. Al contrario, se il subacqueo scende di una quantità minima, la pressione aumenterà, la bolla si contrarrà, l'acqua aggiuntiva entrerà, il subacqueo diventerà meno galleggiante e la velocità della caduta accelererà man mano che la pressione dell'acqua aumenta ulteriormente. Questo rinforzo positivo amplificherà qualsiasi deviazione dall'equilibrio, anche quella dovuta a fluttuazioni termiche casuali nel sistema. Esiste una gamma di pressioni applicate costanti che consentirà al subacqueo di galleggiare in superficie o di affondare sul fondo, ma farlo galleggiare all'interno del corpo del liquido per un periodo prolungato richiederebbe una manipolazione continua della pressione applicata.

I subacquei all'interno di una bottiglia di plastica ovale acquisiscono nuove proprietà interessanti. Infatti, una bottiglia ovale può aumentare di volume quando viene compressa e, se ciò accade, il subacqueo annegato può risalire.

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