BAROMETRO
BAROMETRO (dal gr. βάρος "peso, pressione" e μέτρον "misura")
Apparecchio che serve a misurare la pressione atmosferica. Fino dall'antichità erano in uso le pompe prementi e aspiranti, ma non si conosceva il principio del loro funzionamento. Si attribuiva, com'è noto, l'azione aspirante all'orrore del vuoto. Anche Galileo, il quale pure aveva intuito e dimostrato sperimentalmente che l'aria pesa, non aveva la nozione della pressione atmosferica e spiegava il funzionamento della pompa aspirante come effetto della "coesione" esistente tra il pistone e il liquido a contatto con esso. Egli aveva notato ancora che, quando una pompa aspirante abbia sollevato l'acqua all'altezza di circa 32 piedi, un ulteriore innalzamento del pistone non solleva più il liquido, il quale si stacca dal pistone stesso lasciando sopra di sé il vuoto. Il Galilei nel dare rilievo a codesto fenomeno molto interessante, perché provava la possibilità di ottenere il vuoto, lo spiegava come effetto della rottura della colonna liquida sotto l'azione del proprio peso e illustrava il suo pensiero con la seguente analogia: immaginiamo di sospendere ad un sostegno una fune lunghissima e di sollevare il sostegno verticalmente; verrà un momento in cui la coesione nella parte superiore della fune sarà superata dal peso della parte che sta sotto e la fune si spezzerà. Analogamente, quando il peso della colonna d'acqua che aderisce al pistone avrà superata la coesione tra le parti del liquido, la colonna verrà in certo modo strappata nella sua parte superiore.
Il Torricelli ebbe, in un primo tempo, l'idea di ripetere l'esperienza descritta da Galileo, e pensò che il vuoto si sarebbe ottenuto molto più facilmente sostituendo alla colonna d'acqua una colonna di mercurio. Ma prima di fare la prova, egli, riflettendo intorno alle forze che entrano nella produzione del fenomeno, ebbe, per la prima volta, l'intuizione nitida dell'esistenza della pressione atmosferica. Poiché l'aria pesa, pensò, essa dovrà gravare sopra la terra e sopra i corpi terrestri, ma il suo peso complessivo non sarà infinito. Quando si solleva il pistone di una pompa, la pressione dell'aria spinge in alto l'acqua, ma quando l'altezza del liquido sia tale da equilibrare col suo peso la pressione dell'aria, esso non potrà più seguire il pistone nella sua salita e lascerà il vuoto sopra di sé. Lo scienziato faentino intuì pure la variabilità della pressione atmosferica, come risulta da un passo di una lettera da lui diretta al Ricci nel 1644. In essa, parlando della sua esperienza, dice che egli l'aveva "immaginata non per fare semplicemente il vuoto, ma per avere un istromento che potesse indicare i cambiamenti dell'aria, talvolta più pesante e più spessa, talaltra più leggera e più sottile".
La famosa esperienza non fu eseguita per la prima volta da lui, ma dal Viviani, al quale egli aveva comunicate le sue idee. Codesto fatto nulla toglie però al merito altissimo dello scienziato faentino, che fu veramente lo scopritore della pressione atmosferica e che insegnò il modo di misurarla e di studiarne le variazioni mediante il barometro, la cui origine coincide con quella dell'esperienza torricelliana.
Questa può essere ripetuta nel modo seguente. Preso un tubo di vetro lungo circa 1 metro e chiuso ad una estremità, lo si riempie completamente di mercurio, quindi lo si rovescia tenendo chiusa con un dito l'estremità aperta e si immerge quest'ultima nel mercurio contenuto in una vaschetta. Levato il dito, si vedrà il mercurio scendere alquanto, e, dopo alcune oscillazioni, fermarsi ad un'altezza che è variabile da luogo a luogo e da giorno a giorno e che, se l'esperienza è eseguita con tempo calmo al livello del mare si scosta di poco dal suo valore medio di 760 mm. contati a partire dal livello del mercurio nella vaschetta.
La spiegazione del fenomeno è semplice: l'insieme del tubo e della vaschetta si può paragonare ad un sistema di vasi comunicanti nei quali un liquido omogeneo presenta livelli differenti; in tali condizioni l'equilibrio non è possibile se non quando sulla superficie libera del liquido rispettivamente nell'uno e nell'altro vaso agiscono pressioni differenti. Ora, mentre la superficie del mercurio nella vaschetta è sottoposta alla pressione atmosferica, sopra la superficie del mercurio nel tubo vi è il vuoto e perciò non vi è pressione; la differenza delle pressioni è rappresentata perciò dall'intera pressione atmosferica che è equilibrata da quella della colonna di mercurio di altezza uguale al dislivello.
Quando accanto al tubo Torricelliano si applichi un regolo verticale opportunamente graduato, si ottiene un primo tipo di barometro, detto a vaschetta oppure a pozzetto, nel quale la misura della pressione atmosferica, espressa mediante l'altezza della colonna di mercurio che le fa equilibrio, si ottiene facendo la differenza fra le altezze segnate dalla scala rispettivamente in corrispondenza del livello liquido nel tubo e nella vaschetta.
In realtà la costruzione di un buon barometro non è operazione così semplice; essa richiede cure meticolose e molte cautele.
Anzitutto è indispensabile che il mercurio sia assolutamente puro, ed è perciò opportuno procedere alla sua distillazione immediatamente prima dell'introduzione nel tubo. Si deve poi evitare che il liquido contenga in soluzione dell'aria, la quale si raccoglierebbe lentamente nella camera barometrica alterando le indicazioni dello strumento; conviene a tale scopo riscaldare fortemente il mercurio all'atto del riempimento del barometro, o, meglio ancora, far bollire il liquido nel tubo stesso dopo il riempimento. È necessario ancora che le pareti del tubo barometrico e quelle della vaschetta siano pulite con la massima cura per evitare alterazioni nell'adesione fra solido e liquido, e infine è necessario che il diametro della parte del tubo compresa fra i limiti entro i quali può oscillare l'estremo della colonna liquida non sia inferiore a qualche centimetro, affinché si possa ritenere piccola la depressione capillare che il livello del mercurio subisce nei tubi stretti.
In alcuni barometri a pozzetto la scala è mobile in direzione verticale sicché può essere portata, di volta in volta, nella posizione per la quale lo zero coincida col livello del mercurio nella vaschetta; tale accorgimento permette di rilevare facilmente il valore della pressione con una sola lettura in corrispondenza dell'estremo superiore della colonna di mercurio.
Ma quando si richiedono misure di grande precisione è opportuno fare la lettura dei dislivelli con l'aiuto di un catetometro e ricorrere al barometro normale (fig.1), che non differisce sostanzialmente dai comuni barometri a pozzetto se non perché in esso il tubo ha il diametro di circa 3 cm., tale cioè da rendere trascurabile la depressione di capillarità, e perché alla vaschetta è fissato un sostegno S portante una vite di ferro che può scorrere verticalmente e che è appuntita agli estremi. Prima di fare la lettura, si gira la vite finché la sua punta inferiore venga a sfiorare la superficie del mercurio nella vaschetta, quindi si misurano col catetometro l'altezza dell'estremo della colonna di mercurio e quella della punta superiore della vite. Il valore della pressione si ottiene facendo la differenza tra le altezze lette e aggiungendo ad essa la lunghezza della vite che deve essere conosciuta con grande precisione.
Il barometro normale è, naturalmente, di uso poco comodo, né si può trasportare senza molte precauzioni; perciò, per gli usi comuni, nei quali non sia richiesta una grande esattezza, si adoperano barometri di uso più agevole e che si possano trasportare senza correre troppo grave pericolo di guasti.
Fra questi ultimi è molto diffuso il barometro di Fortin. In esso (fig. 2) la vaschetta è formata da un cilindro di vetro chiuso inferiormente da una borsa di pelle di camoscio. Questa appoggia inferiormente contro l'estremità di una vite sostenuta da una custodia di ottone che protegge la borsa di pelle. Superiormente la vaschetta è chiusa da un disco di ottone, munito di un foro attraverso il quale passa la canta barometrica e che porta una punta di avorio. L'apertura del disco in corrispondenza del passaggio del tubo è chiusa mediante una fascia di pelle di camoscio che è impermeabile per il mercurio, ma non per l'aria. La canna barometrica è circondata da un cilindro di ottone, nel quale sono praticate due lunghe finestre longitudinali (fig. 3) che permettono di osservare la posizione dell'estremo della colonna di mercurio. Lungo uno dei margini di una delle finestre è incisa la scala graduata in modo che lo zero di essa corrisponde all'estremo della punta di avorio.
La lettura dell'altezza dell'estremo superiore della colonna di mercurio si fa con l'aiuto di un piccolo cursore cilindrico (C, fig. 3), che scorre lungo la colonna barometrica e nel quale il margine inferiore è lavorato con la massima cura, in modo che il piano della circonferenza base del piccolo cilindro sia normale alla scala del barometro.
Disposto il barometro verticalmente (più esattamente importa che la scala sia verticale), si gira la vite in modo da sollevare o abbassare il livello del mercurio finché la sua superficie libera nella vaschetta venga a sfiorare la punta di avorio. Quindi si fa scorrere il cursore finché il piano dei suoi margini inferiori venga ad essere tangente alla superficie del menisco del mercurio nel tubo. Con l'aiuto del nonio si legge allora l'altezza barometrica.
Al barometro stesso è applicato un termometro su cui si deve leggere la temperatura prima di fare la lettura barometrica.
Fra i barometri a vaschetta è molto usato, specialmente per le osservazioni a bordo delle navi, il barometro a scala compensata, nel quale sono fissi tanto la scala quanto il fondo della vaschetta. Quest'ultima ha forma di cilindro accuratamente lavorato in modo che ne sia costante l'area della sezione la quale è decupla di quella del tubo barometrico, che deve essere pure accuratamente calibrato. In tali condizioni, se la pressione subisce un aumento di 1 mm., affinché si ristabilisca l'equilibrio tra la pressione dell'aria e quella della colonna di mercurio, dovrà passare del liquido dalla vaschetta nel tubo finché la differenza di livello sia aumentata di 1 mm. Ma, poiché l'area della sezione della vaschetta è decupla di quella del tubo, al passaggio di un certo volume di mercurio dalla prima al secondo l'abbassamento di livello dell'una sarà
dell'innalzamento che si verifica nell'altro. Indicando perciò con x l'innalzamento di livello del tubo, l'abbassamento della vaschetta sarà
e poiché il dislivello deve aumentare di 1 mm., si avrà:
In conclusione, ad ogni millimetro di variazione nella pressione atmosferica, corrisponde nel tubo una variazione di livello che è di
di millimetro. In altre parole, quando si sia misurata la variazione di livello nel tubo barometrico, si calcolerà la variazione di pressione moltiplicando la prima per
In pratica non è nemmeno necessaria tale operazione aritmetica perché la scala per le letture è fatta in modo che le linee di divisione distino fra di loro di
di millimetro, mentre la graduazione è segnata in millimetri. In tal modo con una sola lettura si ha l'altezza barometrica.
Un secondo tipo di barometro a mercurio è quello a sifone (fig. 4), chiamato così perché in esso il tubo barometrico ha forma di un sifone rovesciato, è cioè un tubo ad U con la parte curva in basso e nel quale un ramo, lungo circa un metro, è chiuso, e l'altro, lungo pochi centimetri, è aperto. Riempito di mercurio il tubo con procedimento non diverso da quello usato nell'esperienza del Torricelli, la differenza fra i livelli che esso raggiunge nei due rami del tubo, dà la misura della pressione. Il tubo è fissato ad una tavoletta che porta due scale graduate mediante le quali si possono leggere le altezze delle due colonne rispetto ad uno zero comune e quindi calcolare rapidamente il dislivello. Esistono pure dei barometri a sifone nei quali il tubo è ripiegato in modo che le parti estreme delle due branche vengano a trovarsi sulla medesima verticale, così da rendere possibile l'uso di una sola scala per le letture.
Il Gay Lussac costruì un barometro a sifone facilmente trasportabile.
Fra i barometri a mercurio meritano di essere ancora ricordati i barometri a peso, nei quali il tubo barometrico è sospeso ad uno degli estremi del giogo di una bilancia. Ad ogni variazione di pressione corrisponde una variazione del peso di mercurio contenuto nel tubo, e quindi della forza che si deve applicare all'altro estremo del giogo per mantenere l'equilibrio. Tale dispositivo è usato in alcuni tipi di barometri registratori.
Fino dai primi tempi dopo l'invenzione del barometro furono fatti varî tentativi per sostituire al mercurio altri liquidi di minore densità e rendere cosi l'apparecchio più sensibile; ma varî inconvenienti, come la tensione di vapore assai più forte per altri liquidi che per il mercurio e molto sensibile alle variazioni di temperatura, e l'adesione alle pareti dei tubi, rendono illusoria la maggiore esattezza che essi dovrebbero presentare in conseguenza della loro sensibilità; oggi perciò, come barometri di precisione, non si usano che quelli a mercurio.
La semplice lettura barometrica non dà senz'altro il valore esatto della pressione. Occorre applicare la correzione di capillarità. Inoltre, per rendere paragonabili le osservazioni fatte in tempi diversi, è necessario ridurre le letture barometriche a una medesima temperatura; e, quando le osservazioni siano fatte in diverse località, si devono ridurre anche al medesimo livello e alla medesima gravità (v. riduzioni barometriche).
Di uso molto comodo, sebbene di non grande precisione, sono i barometri metallici, chiamati così perché nella loro costituzione non entra nessun liquido. Esistono due specie di barometri metallici, l'aneroide (v.) e l'olosterico.