Barometro di Torricelli.
Il barometro di Torricelli è costituito da un tubo di vetro di circa un metro di lunghezza, chiuso ad una estremità e da una vaschetta di vetro contenente mercurio.
L’uso del mercurio da tempo è vietato nelle scuole; inoltre per eseguire l’esperienza qui descritta è bene togliersi anelli o braccialetti d’oro per evitare la formazione di un amalgama tra mercurio e oro.
I due tubi nelle foto recano una scala di color azzurro tarata in millimetri per misurare l’altezza raggiunta dal mercurio in ogni tubo.
L’esecuzione dell`esperimento è molto semplice: si versa il mercurio nel tubo fino a riempirlo accuratamente, si chiude con un dito la sua imboccatura e lo si rovescia come si vede nella figura 1. Dopo averne immersa l’imboccatura nella vaschetta contenente mercurio, tenendo il tubo in verticale, si toglie il dito dall’imboccatura e si osserva il mercurio che si porta ad un livello (rispetto alla superficie del mercurio nella vaschetta) intorno ai 760 mm in determinate di condizioni di altitudine, latitudine e temperatura.
Il funzionamento del barometro di Torricelli (come quello di Berti in figura 2) si basa sull’equilibrio tra la pressione esercitata dalla colonna di mercurio presente nel tubo di vetro, sulla superficie interna all’imboccatura a livello della superficie inferiore del mercurio e la pressione atmosferica che agisce sulla superficie libera del mercurio nella vaschetta.
Dunque la pressione p = d g h (dove d è la densità del mercurio, g è l’accelerazione di gravità locale, h è l’altezza raggiunta dal mercurio nel tubo rispetto alla superficie del mercurio nella vaschetta) è in equilibrio con quella esercitata dall’atmosfera sulla superficie del mercurio contenuto nella vaschetta. La pressione atmosferica è dovuta principalmente all’altezza della colonna d’aria ed alla sua densità media e, come è noto, varia nel tempo e da luogo a luogo per tanti fattori.
Nel barometro di Torricelli quindi il livello del mercurio nella vaschetta, preso come riferimento per le misure di altezza della colonna, varia a seconda della pressione atmosferica, poiché quando la pressione atmosferica è alta spinge maggiore quantità di mercurio nel tubo e il livello in esso sale, ma scende nella vaschetta; viceversa, quando la pressione è bassa il livello nel tubo scende riversandosi nella vaschetta.
Di solito, dopo aver mostrato il suo funzionamento tenendo il tubo di vetro in verticale, si inclina il tubo per far osservare che l’altezza raggiunta dalla colonnina di mercurio nel tubo non varia rispetto alla superficie del mercurio nella vaschetta, come si vede in figura 3.
Bisogna inoltre tener ben presente che, se l’esperimento viene fatto ad una certa altezza dal livello “medio” del mare, la colonna d’aria sovrastante, essendo minore in altezza e densità, esercita una minore pressione e dunque il barometro di Torricelli segnerà un valore minore rispetto ad un altro posto al livello del mare.
Pure la temperatura fa variare le caratteristiche volumiche del mercurio, e pertanto concorre a dare risultati di misura errati.
Il primo barometro della storia si deve a Gasparo Berti (1600 – 1643) che nel 1640 usò un tubo di piombo lungo circa undici metri, posto in verticale, chiuso all’estremità superiore e riempito d`acqua, che pescava su una vasca anch’essa contenente acqua.
Il livello dell’acqua, appena il tubo veniva aperto nella parte inferiore immersa nell’acqua, scendeva a circa nove metri.
Siccome nella parte superiore del tubo si veniva a creare un certo grado di vuoto, l’acqua presentava l’inconveniente di evaporare facilmente dando luogo ad una tensione di vapore saturo che faceva abbassare il livello nel tubo (detto livello invece avrebbe dovuto essere intorno ai dieci metri); inoltre vi si instauravano correnti convettive dovute alla differenza di temperatura tra l’acqua nella parte superiore del tubo e quella nella vasca. L’esperimento ebbe luogo presso il Convento dei Minimi sul Pincio a Roma.
Evangelista Torricelli (1608 – 1647) negli anni 1643, 1644 sostituì l`acqua con il mercurio che ha i seguenti vantaggi: la sua densità di circa 13,54 volte quella dell’acqua, permette che la lunghezza del tubo si limiti a circa un metro, la sua evaporazione è molto bassa e dunque la tensione di vapore che si ha nella zona superiore del tubo influenza poco la misura. La figura 2 sull’esperimento di Berti si trova in: G. Schott, Technica curiosa, sive Miriabilia artis, Würzburg 1664.
La figura 4 è un esperimento ispirato a Torricelli ed eseguito nel 1645 a Roma, e si trova in E. Maignan, Cursus philosophcus, Toulouse, 1665.
Le figure 149 e 150 sono a pag. 152 del Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot’s Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910, rinvenibile all’indirizzo:
https://archive.org/details/treatphysics00ganorich.
Bibliografia: i lavori sull`argomento sono numerosissimi.
Un breve ed efficace riassunto storico si trova in M. Guidone, Esiste il vuoto?, Il Montani n° 3-4 dicembre 2000.
Foto di Claudio Profumieri, elaborazioni, ricerche e testo di Fabio Panfili.
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