Il diavoletto di Cartesio: funzionamento e principi fisici coinvolti

In questo appunto viene descritto il cosiddetto Diavoletto di Cartesio, chiamato anche ludione, che è uno strumento che prende il nome da Cartesio, ovvero colui che l'ha ideato. Si tratta di uno strumento che serve per misurare la pressione dei liquidi.

Il diavoletto di Cartesio

Il diavoletto di Cartesio o ludione prende il nome dal suo ideatore René Decartes, in latino Cartesio, un matematico e filosofo francese vissuto nella prima meta del diciassettesimo secolo gli volle estendere il metodo matematico e l’indagine scientifica a tutti i fenomeni.
Tuttavia, nonostante si attribuisca a Cartesio l’invenzione del diavoletto, si deve la sua ideazione a Raffaello Magiotti, scienziato italiano che studiò geometria a Firenze insieme a Galileo prima di rendere i voti e diventare prete. Nel 1636 venne anche chiamato al servizio della biblioteca vaticana, tra un gruppo di esperti scriptor e, nel 1648, per la prima volta, fu descritto il diavoletto di Cartesio.
Il ludione prevedeva una struttura in vetro forata sull’estremità della coda.

Funzione del diavoletto di Cartesio

Il diavoletto di Cartesio è uno strumento, appunto a forma di diavoletto, che viene utilizzato per la misurazione della pressione dei liquidi, a seconda della quale il diavoletto, immerso in un liquido, sale o scende.
Principio di funzionamento: questo esperimento si basa su due importanti leggi della fisica relativa ai liquidi, ovvero la legge di Archimede e quella di Pascal.
Il principio di Archimede e la legge di Boyle sui gas dimostrano la diretta proporzionalità tra il volume di un gas e la pressione. Secondo la legge di Boyle aumentando la pressione, il volume di un sistema diminuisce; diminuendo la pressione, il volume di un sistema aumenta.
Il principio di Archimede dimostra invece il galleggiamento di un corpo o il suo annegamento, è dovuto alla spinta che esso riceve in un fluido dal basso verso l’alto.
La legge di Pascal enuncia che un corpo immerso in un qualsiasi liquido è soggetto ad una forza rivolta verso l’alto (spinta di Archimede) di intensità uguale al peso del volume del liquido spostato.
Al variare della pressione del liquido che circonda il diavoletto di Cartesio, varia anche la sua densità, poiché il volume dell’aria contenuta al suo interno cambia. Se la pressione aumenta il peso diventa maggiore della spinta e dunque il diavoletto affonda.

Il funzionamento dell'esperimento

Il diavoletto di Cartesio, con un foro sulla punta della coda e riempito parzialmente di acqua, viene inserito in una bottiglia contenente un liquido. Quando si applica una leggera pressione sulle pareti della bottiglia, il diavoletto affonda, quando si rilascia la pressione il diavoletto risale in superficie.
L’oggetto dunque galleggia quando la spinta di Archimede, dal basso verso l’alto, è maggiore rispetto alla forza peso dell’oggetto stesso. Facendo pressione sulla bottiglia, però, riduciamo il suo volume e l’acqua contenuta al suo interno, la quale è incomprimibile, prende il posto dell’aria all’interno dell’oggetto facendolo aumentare di densità e quindi appesantire. Tale fenomeno avviene perché la spinta di Archimede è minore rispetto alla forza peso del diavoletto di Cartesio. Per galleggiare quindi il diavoletto deve avere una densità minore del liquido in cui è immerso, altrimenti affonda. E dunque il suo galleggiamento dipende dalla densità dell’oggetto stesso e da quella del liquido.
F (A) (forza di Archimede) = d (liquido) gV (liquido spostato)
( g =acc. gravitazionale e d = densità)
F p ( forza peso) = d(oggetto) gV(oggetto)
F(A) F(A) = Fp quando d(liquido) = d(oggetto): l’oggetto sta in equilibrio.
F(A)> Fp quando d(liquido)> d(oggetto): il corpo galleggia.
Come mai funziona? Grazie ai principi fisici della dinamica dei fluidi sopra elencati: ovvero il principio di Pascal e quello di Archimede.
Secondo il principio di Pascal la pressione si trasmette in ogni punto del liquido e ciò permette a questo di entrare nel diavoletto che, appesantito, sprofonda.
Quando smettiamo di esercitare la pressione sulla bottiglia, l’aria che era compressa, spinge fuori liquido dal diavoletto e questo risale in superficie secondo il principio di Archimede.
Come ricreare l’esperimento del diavoletto di Cartesio? Questo esperimento può essere facilmente ricreato servendosi dell’utilizzo di una provetta, di circa un litro di acqua e di una bottiglia, riempita dal liquido, di plastica trasparente, così da poter osservare i movimenti del diavoletto di Cartesio.
I passaggi da seguire sono i seguenti:
-riempire la bottiglia di plastica con l’ acqua
-mettere della plastilina sulla provetta per appesantirla, vicino all’estremità in cui c’è il foro
-inserire dell’acqua nella provetta riempiendola parzialmente, non abbastanza da farla affondare
-inserire la provetta, con l’apertura rivolta verso il basso, nella bottiglia e chiudere quest’ultima con il tappo
- con le mani bisogna applicare una leggera pressione sulle pareti della bottiglia
ed osservare il fenomeno che avrà luogo: ovvero il diavoletto di Cartesio affonderà sul fondo della bottiglia, per poi risalire una volta che la pressione esercitata dalle mani sulle pareti della bottiglia, tessera di essere applicata.
Il fine di questo esperimento è dunque quello di comprendere che la pressione si trasmette in tutto il liquido (legge di Pascal) e che il volume dell’aria nella provetta viene modificato e che questo è uguale al volume dell’acqua spostata (legge di Archimede).
Progetto Alternanza Scuola Lavoro.