Fisica Medica - Lezione 12: Fenomeni Superficiali PDF

Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia polo Vialba Corso di Fisica Medica Docente: Marco Buscaglia Lezione 12: Fenomeni superficiali 1 Fenomeni alla superficie dei fluidi...

Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia polo Vialba Corso di Fisica Medica Docente: Marco Buscaglia Lezione 12: Fenomeni superficiali 1 Fenomeni alla superficie dei fluidi Perché l’acqua che esce lentamente dal rubinetto rimane appesa come se fosse trattenuta da un sacchetto elastico? Perché i liquidi spesso non si appiattiscono e formano un menisco vicino alle pareti del contenitore? 2 Forze di coesione Forze che si originano alla superficie dei fluidi La superficie di separazione tra un liquido e altre sostanze ha un comportamento apparentemente simile ad una membrana elastica  tende a diminuire la sua area Forze di interazione molecolare  forze di coesione Le superfici di separazione tendono spontaneamente a contrarsi il più possibile 3 Tensione superficiale Lamina liquida di acqua saponata Sottile sbarra AB libera di scivolare Si ottiene l’equilibrio applicando una forza ortogonale alla sbarra e tangente alla lamina La forza non dipende dall’area della lamina La forza è proporzionale alla lunghezza della sbarra F=τ2ℓ La lamina ha 2 facce Coefficiente di tensione superficiale (caratteristica del liquido) 4 Tensione superficiale La lamina liquida contraendosi compie lavoro Per estendere la lamina bisogna compiere lavoro La superficie libera del liquido è in grado di immagazzinare energia e di restituirla  energia potenziale superficiale ∆x Spostamento ∆x della sbarra  l’area della lamina aumenta di ∆S = 2∆xℓ (due facce) L = F · ∆x = τ2ℓ ∆x = τ∆S  energia potenziale Il valore di τ dipende dalla coppia di sostanze a contatto. 𝐿𝐿 𝜏𝜏 =  energia per unità di superficie Δ𝑆𝑆 Esempio: Joule N Acqua-aria: τ = 0.073 N/m 𝜏𝜏 ≡ = Olio d’oliva-aria: τ = 0.032 N/m m2 m Acqua-olio d’oliva: τ = 0.020 N/m 5 Contatto fluido-fluido F = τ dℓ La goccia vista dall’alto: ogni punto del bordo deve essere in equilibrio ττA + ττB + ττAB = 0 Se invece ττB > ττA + ττAB la goccia d’olio si espande fino ad un solo strato molecolare diradato (si veda i valori di tensione superficiale di acqua-olio-aria) 6 Forze di adesione Contatto fluido-solido: forze esercitate tra le molecole dei fluidi e dei solidi Menisco concavo  θ < 90°  il liquido bagna la superficie del solido Menisco convesso  θ > 90°  il liquido non bagna la superficie del solido Angolo di contatto θ Menisco concavo 7  Tensioattivi Testa idrofilica Coda idrofobica Micelle: Olio Acqua I tensioattivi permettono di ridurre molto la tensione superficiale 8 Membrane elastiche La superficie dei fluidi NON si comporta come una membrana elastica In una membrana elastica la forza dipende dall’estensione della superficie Esempio: tensione nei vasi sanguigni  membrane elastiche la tensione aumenta con l’estensione F d d s 2πR R s 𝐹𝐹 𝑅𝑅 − 𝑅𝑅0 𝐹𝐹 𝑅𝑅 − 𝑅𝑅0 τ = 𝑌𝑌 ⇒ = 𝑌𝑌𝑌𝑌 𝑑𝑑 𝑠𝑠 𝑅𝑅0 𝑑𝑑 𝑅𝑅0 tensione proporzionale alla deformazione Tensione τ R0 R 9 Legge di Laplace Superficie curva che separa due mezzi: Tensione superficiale (anche elastica)  differenza di pressione Problema puramente geometrico Le forze di tensione devono essere bilanciate dalle forze di pressione 2𝜏𝜏 Superficie sferica: Δ𝑃𝑃 = 𝑅𝑅 𝜏𝜏 Superficie cilindirca: Δ𝑃𝑃 = 𝑅𝑅 1 1 Superficie generica: Δ𝑃𝑃 = 𝜏𝜏 + 𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 Implicazioni: - Raggio di equilibrio dei vasi sanguigni - Anatomia dei vasi sanguigni - Funzionalità cardiaca - Equilibrio alveolare 10