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Esercizio sul galleggiamento

Esercizio svolto sul galleggiamento

Una sfera di rame (ρCu = 8900 kg/m3) galleggia sul mercurio (ρHg = 13600 kg/m3).

Si valuta che emergono i ⅚ della sfera dal mercurio.

Si richiede di verificare se la sfera è piena o presenta una cavità ed in tal caso determinare la percentuale di cavità rispetto al volume totale.

Svolgimento

La sfera è in equilibrio e galleggia nel mercurio.

Su di essa agisce la sua forza peso diretta verso il basso e la forza di Archimede agente invece verso l'alto.

Poiché siamo in condizioni statiche, le due forze si equivalgono:

P = Sa

Introducendo il concetto di densità definita come il rapporto tra massa e volume della sfera:

ρCu = m/V

possiamo scrivere la massa della sfera in funzione della densità e del proprio volume totale, come:

m = ρCu · V

mentre la spinta si Archimede è pari a:

Sa = ρHg · Vimmerso · g

in cui Vimmerso fa riferimento solo al volume del corpo che si trova sott'acqua.

Dai dato del problema si evince che emergono i ⅚ del volume totale della sfera, per cui il volume immerso vale:

Vimmerso = ⅙ · V

Possiamo dunque scrivere

P = Sa

m · g = Sa

ρCu · V · g = ρHg · Vimmerso · g

ρCu · V · g = ρHg · ⅙ · V · g

semplificando V e g:

ρCu = ρHg · ⅙

Poiché

ρCu ≠ ρHg · ⅙

La sfera non può essere piena ma sarà costituita in parte da una cavità Vc tale per cui la sua massa risulti pari a:

m = ρCu · (V - Vc)

Dunque la precedente relazione si modifica come:

m · g = Sa

ρCu · (V - Vc) · g = ρHg · Vimmerso · g

ρCu · (V - Vc) · g = ρHg · ⅙ · V · g

semplifichiamo g

ρCu · (V - Vc) = ρHg · ⅙ · V

Svolgiamo i calcoli:

ρCu · V - ρCu · Vc = ρHg · ⅙ · V

ρCu · Vc = ρCu · V - ρHg · ⅙ · V

Vc = V · (ρCu - ρHg / 6 ) / ρCu = V · (8900 - 13600 / 6 ) / 8900 = 0,745 · V

In definitiva la sfera risulterà cava per il 74,5 % del suo volume totale.

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