Un tuffo tortuoso... in piscina

 Che divertimento, zio! È molto meglio del mare!” I bambini – si sa – è molto facile farli contenti d'estate: basta portarli al mare e farli scatenare... Ma l'altro giorno i genitori di Lino avevano una commissione da fare in città, per cui il malcapitato zio fu reclutato per portare il bambino al vicino acquapark e... splash! Toccò a me accompagnare il mio amico Francesco a far divertire il nipotino (anche se, a dir la verità,ci divertimmo parecchio anche noi!).

La prima preoccupazione di Francesco fu – naturalmente – l'altezza dei vari scivoli: “non saranno troppo alti, e pericolosi per Lino?” Gli dovetti allora spiegare che gli ingegneri che costruiscono gli acquascivoli sanno molto bene la fisica che sta dietro un... tuffo in piscina sull'acquascivolo.

A parte l'ovvia funzione della forza di gravità , ci sono molti fattori che influenzano la discesa verso il basso in un acquascivolo, guidata principalmente dall'attrito con lo scivolo e dalla resistenza che oppone l'aria al corpo che si muove: il contatto del corpo (o del tappetino su cui siete seduti) con lo scivolo (inclusa l'area a contatto), la massa del corpo, l'angolo e l'altezza dello scivolo, il materiale di cui è fatto lo scivolo, ecc.

La gravità è la forza trainante che vi guida verso il basso, operante allo stesso modo con cui agisce su una mela matura per farla cadere verso terra. Naturalmente, però, la situazione nell'acquascivolo è diversa, poiché il corpo non segue una traiettoria diritta come nel caso di una mela che cade, ma curva. Di questa, tuttavia, non è responsabile la gravità, bensì la struttura stessa dell'acquascivolo, che vincola il corpo all'interno di esso a muoversi su una traiettoria ben definita.: tali vincoli esercitano una forza sul corpo, detta forza vincolare, che si “aggiunge” alla gravità (e alle altre forze presenti) e modifica il movimento del corpo. Esse sono lo stesso tipo di forze che si fanno sentire, ad esempio, su un bicchiere appoggiato su un tavolo o su una pallina lanciata verso un muro; se non ci fossero, il bicchiere cadrebbe per terra, e la pallina proseguirebbe indisturbata il suo moto invece di tornare indietro. Sull'acquascivolo, però, succede qualcosa di più divertente, poiché lo scivolo non è “orizzontale” come un tavolo (ossia, non è perpendicolare alla forza di gravità), ma è costruito con una certa inclinazione rispetto l'orizzontale, per cui la forza vincolare che esso esercita non viene applicata nella stessa direzione della forza di gravità. L'effetto che si ottiene, allora, non è quello di annullare la forza di gravità, ma piuttosto quello di far muovere il corpo verso il basso (lungo lo scivolo) di moto accelerato, con la velocità che aumenta gradualmente man mano che proseguite lungo la discesa, anche se comunque aumenta di meno rispetto al caso di caduta libera di una mela. Il moto è analogo a quello di una biglia che scivola lungo un tavolo inclinato: la sua velocità aumenta lungo la discesa, ma sempre di meno che se venisse lasciata cadere in verticale.

La storia, però, non si esaurisce con queste sole due forze, altrimenti comunque vi schiantereste alla fine della discesa. Innanzitutto, infatti, quando scendete sentite un bel vento che vi spira contro: l'aria esercita una forza di resistenza che si oppone al vostro movimento (quindi rallentandovi), e la resistenza è tanto maggiore quanto più veloce vi muovete, come potete sperimentare facilmente in moto o in auto. Inoltre, c'è la forza di attritotra il vostro corpo e lo scivolo, che pure si oppone al vostro moto, la quale dipende dalla superficie a contatto (è maggiore per superfici maggiori) e dal materiale di cui è fatto lo scivolo. Questo ultimo fattore è particolarmente cruciale per il vostro divertimento. Infatti, normalmente, l'attrito tra la pelle del vostro corpo e la vetroresina con cui sono usualmente costruiti gli scivoli è molto alto, per cui se tentaste di scivolare giù in condizioni perfettamente “asciutte”... non vi muovereste affatto (avete mai provato a sedervi, non vestiti, sulla pendenza di uno scivolo o di un pavimento in marmo?). Paradossalmente occorre allora qualcosa che “lubrifichi”, ossia che renda minore l'attrito con lo scivolo, e generalmente l'effetto desiderato si ottiene stesso con l'acqua (o con un tappetino su cui vi fanno sedere): una pompa preleva l'acqua dalla piscina e la fa cadere dall'alto lungo lo scivolo, così che la forza di attrito non sia esageratamente predominante.

Le forze di resistenza dell'aria e di attrito si oppongono alle altre due (gravità e forza vincolare), rallentando progressivamente il moto del corpo che scivola giù, e, ad un certo punto, tutte le forze si annullano a vicenda, cosicché da quel momento in poi la velocità del vostro corpo non aumenta più. E lo stesso fenomeno che si verifica, ad esempio, quando un paracadutista si lancia da un aereo: dopo un po' la forza di resistenza dell'aria (che aumenta con la velocità) esercitata contro il paracadute riesce a bilanciare la forza di gravità, per cui nel moto successivo la velocità non aumenta più, e il paracadutista arriva a terra sano e salvo. Naturalmente, più è alto l'acquascivolo – o più è inclinato rispetto l'orizzontale – e più la velocità aumenta durante la discesa, per cui per mantenere la vostra sicurezza occorre che la forza di attrito sia più efficace: o diminuite il “lubrificante” o, più semplicemente, aumentate la lunghezza dello scivolo, di modo che l'attrito abbia più spazio per frenarvi.

La vostra discesa nell'acquascivolo prosegue, allora, a velocità costante, ma non esattamente fino alla fine, altrimenti il tuffo in piscina sarebbe comunque troppo violento. L'ultimo tratto di scivolo, infatti, non è più ancora in discesa, ma è costruito in modo tale da essere orizzontale: in questo tratto, la forza vincolare equilibra perfettamente la forza di gravità poiché, come nel caso del bicchiere appoggiato sul tavolo, esse hanno ora la stessa direzione (la forza vincolare non è più “inclinata”) ma verso opposto, la gravità verso il basso e la forza vincolare verso l'alto. Succede allora che le forze di resistenza dell'aria e di attrito sono le uniche che ora governano il vostro moto, e l'unico effetto che producono, come prima, è quello di rallentarvi. Se il tratto orizzontale fosse lungo abbastanza, addirittura vi fermereste sullo scivolo, ma i progettisti sono stati attenti a non rovinarvi il divertimento, per cui, dopo aver rallentato sufficientemente la vostra velocità, finite col tuffarvi in tutta sicurezza nella piscina.

Vi pare un gioco troppo tortuoso? Può darsi, ma la spiegazione bastò a Francesco per vincere le sue titubanze, e allora... splash! Dietro Lino, provammo anche noi due adulti l'ebbrezza del divertimento estivo. Proprio vero: la fisica rende più divertente anche un tuffo in acqua!

S. Esposito, fisico