Schiacciati e bombardati da proiettili!

Fig. 1

Noi esseri umani viviamo immersi nell’atmosfera terrestre, l’involucro di aria che circonda il nostro pianeta ed è suddiviso in più strati di diverso spessore, in base all’andamento della temperatura.

Lo strato atmosferico più basso, il più vicino a noi è la troposfera. Il suo spessore varia da circa 10 km sopra ai poli a 20 km in prossimità dell’equatore. La troposfera è riscaldata dal calore proveniente dalla superficie della Terra e la sua temperatura diminuisce salendo verso l’alto secondo un gradiente termico verticale pari a 0.6 °C ogni 100 metri. Nella troposfera avvengono i fenomeni atmosferici come il vento, la formazione delle nuvole, le precipitazioni.

Fig. 2

L’atmosfera terrestre è composta per il 78% da azoto, per il 21% dall’ossigeno e per la restante parte da argon, anidride carbonica e tracce di altri elementi. A tali gas si aggiunge il vapore acqueo, la cui percentuale è piuttosto variabile e può arrivare fino al 6%.

In meteorologia sentiamo parlare di pressione atmosferica, una grandezza fisica che esprime il rapporto tra la forza peso della colonna d’aria che grava su una superficie e l’area stessa. Nella maggior parte dei casi il valore di tale grandezza è equivalente alla pressione idrostatica dovuta al peso della colonna d’aria presente al di sopra del punto di misura.

La pressione nel SI è misurata in pascal (Pa) e con uno strumento che si chiama barometro.

Chi pesò l’aria?

Il primo scienziato che fu in grado di determinare il “peso dell’aria” fu Evangelista Torricelli (1608 – 1647); egli utilizzò per la misura il cosiddetto tubo di Torricelli, antesignano dei moderni barometri.

Sperimentalmente scoprì che una colonna di mercurio di altezza 76 cm e con una massa di circa 1,033 kg, è in grado di equilibrare la pressione esercitata dall’aria su un cm².

La scelta del mercurio fu essenziale perché essendo, a temperatura ambiente, un metallo allo stato liquido risulta avere una densità molto alta, 13 579 kg/m³. Se Torricelli avesse usato l’acqua non sarebbe bastata una colonna di 10 m di altezza per equilibrare la pressione atmosferica!

Torniamo ora alla nostra “vita da sub”!

Effettivamente siamo immersi al fondo di un mare di aria.

Ogni centimetro quadrato della superficie del nostro corpo è sottoposto ad una pressione atmosferica che equivale al peso di una massa di 1.033 kg, che preme su quell’area di 1 cm²! Tanta roba, un peso decisamente considerevole!

Sappiamo dalle misure di Torricelli che il valore della pressione atmosferica a livello del mare è di 1.013 × 10 ⁵ Pa, espresso con l’unità di misura del SI.

Se consideriamo l’estensione della superficie terrestre, circa 510 milioni di km², possiamo stimare il peso dell’intera atmosfera, 5,2 × 10 ¹⁹ N corrispondente a quello di una massa di …5,3 miliardi di milioni di tonnellate!

Perchè non sentiamo questo peso?

OK, ma perché non siamo schiacciati da questo enorme peso?

L’atmosfera che circonda il nostro pianeta non ci “appiattisce” perchè i fluidi hanno un comportamento diverso da quello dei corpi solidi. La legge che descrive i fluidi è stata verificata nel 1643 dal fisico francese Blaise Pascal ed è nota come principio di Pascal.

Semplificando tantissimo il discorso possiamo dire che l’atmosfera non esercita pressione in una sola direzione, bensì in tutte le direzioni. Perciò, la spinta dell’atmosfera verso il basso e verso l’interno del nostro corpo, che ci schiaccerebbe, è controbilanciata dalla spinta verso l’esterno dai fluidi presenti nel nostro corpo.

Quindi non ci sono pericoli, perché siamo in una situazione di equilibrio!! E solo quando questo equilibrio viene a mancare ci rendiamo conto dell’enorme valore della pressione dell’aria.

Un po’ di numeri!

Diamo ancora qualche dato quantitativo.

Un metro cubo di aria secca a 0 °C ha un peso che equivale a quello di una massa del valore di 1.3 kg. Se l’aria fosse umida sarebbe più leggera a causa del peso minore delle molecole d’acqua.

In una stanza spaziosa con dimensioni 6 m × 7 m e alta 3 m vi sono 126 m³ di aria con un peso corrispondente a quello di una massa di circa 164 kg.

Come abbiamo già ricordato l’aria dell’atmosfera terrestre è una miscela di azoto (78%), ossigeno (21%) e altri elementi (1%).

Se applichiamo a questo insieme di gas il modello di gas perfetto, è possibile calcolare la velocità quadratica media sia delle molecole di azoto, sia di quelle di ossigeno.

Servono un po’ di dati:

massa molare dell’azoto = 28,0 g/mol = 0,0280 kg/mol

massa molare dell’ossigeno 32,0 g/mol = 0,0320 kg/mol

temperatura ambiente = 20 °C = 293 K

La velocità quadratica media si calcola usando la seguente equazione:

con M massa molare dell’azoto; nel caso delle molecole di ossigeno si modifica il valore della massa molare.

Come era facile prevedere, più la molecola è leggera, più si muove velocemente.

Ma quanto veloce? Abbiamo un’idea?

Le onde del suono si muovono nell’aria alla velocità di 343 m/s, circa 1200 km/h, se la temperatura è di 293 K.

Quindi stimando per le molecole una velocità intorno ai 500 m/s, ossia 1800 km/h, possiamo concludere che le molecole dell’aria ci colpiscono e rimbalzano sulla nostra pelle con la velocità di un jet supersonico per una dozzina di viaggiatori!!