In età contemporanea, lo sviluppo delle scienze fisiche portò alla definizione rigorosa delle leggi dei gas e alla necessità di apparecchiature per la produzione e la misura del vuoto, con la conseguente forte spinta alla ricerca e alla realizzazione tecnica.
L’evoluzione del concetto di vuoto, dai classici ai moderni, ha radici antiche e rappresenta un filo conduttore continuo del pensiero degli scienziati filosofi.
Fin dal quinto secolo a.C. il concetto di vuoto fu concepito da Leucippo e Democrito come spazio entro cui il moto di atomi, enti indivisibili eterni e immutabili, aveva luogo. Atomi e vuoto rappresentano per Democrito realtà primarie.
La dinamica aristotelica vedeva il motore del moto non nel corpo, ma nel mezzo: un proietto è spinto dal fluido in cui è immerso pronto ad occupare spazio lasciato dal proietto in moto. Nel vuoto la resistenza sarebbe nulla e la velocità del corpo tenderebbe all’infinito; questo porta alla ubiquità di un corpo nel vuoto, da cui la convinzione aristotelica dell’impossibilità del vuoto.
In epoca ellenistica, per gli alessandrini, non era possibile avere il vuoto in grandi volumi, ma solo un vuoto interposto tra una particella e l’altra, i latini lo chiamarono poi “vacuum intermixtum”, con questo riuscivano a spiegare le proprietà di compressibilità ed elasticità dell’aria. Giovanni Filopono, presso la Scuola Ammonio di Ermia in Alessandria, con il concetto di forza cinetica incorporea impressa al proietto al lancio, precorre il concetto di variazione della quantità di moto. Il pensiero medioevale concepisce il moto di corpi come dovuto all’azione di una “forza cinetica incorporea” impressa al proietto al momento del lancio, forza che può evocare un richiamo alla variazione della quantità di moto.
Gli studiosi della cultura araba contribuirono allo sviluppo della teoria dell’“impetus”. Avicenna si rifece a Giovanni Filopono, con la novità che nel vuoto la forza impressa al proietto all’inizio del moto non si esaurirebbe mai e il moto proseguirebbe all’infinito, affermazione vigorosamente contrastata da Averroè indicando la caducità del moto di corpi immersi in fluidi.
In età moderna Descartes (XVII sec.) sostiene l’inesistenza del vuoto. Negli stessi anni il fisico Torricelli con il collega Viviani, anch’egli discepolo di Galileo, dimostrarono che il vuoto può esistere in natura e che l’aria ha una massa. Torricelli descrisse l’esperienza del suo barometro ponendo fine alle millenarie discussioni filosofiche sull’horror vacui. Torricelli riuscì a misurare, indirettamente, con elevata precisione il valore della pressione atmosferica con un geniale quanto semplice esperimento: egli riempì con un liquido, nel caso in oggetto egli usò del mercurio di massa volumica nota, un tubo dotato di fondo e lo capovolse dopo averne immerso la bocca in un recipiente che conteneva lo stesso tipo di liquido.
Imponendo l’equilibrio della colonna AB, rappresentata in Figura 2, si ricava il valore della pressione atmosferica p che impone la propria azione sull’area A alla base della colonna, equilibrando l’azione del peso calcolabile come prodotto di massa per accelerazione di gravità. Indicando con r la massa volumica del liquido e con H la quota della colonna si ha che la pressione assume l’espressione p=. Misurando l’altezza H della colonna si ha il valore della pressione atmosferica. Nel caso dell’esperienza di Torricelli, schematizzata in Figura 1, il liquido è mercurio, con una massa volumica di 13579 kg/m³ e la colonna di liquido risultava di 760 mm. La pressione atmosferica risulta, quindi, pari a 101239N/m².
Intorno alla metà del diciassettesimo secolo, fu Blaise Pascal, matematico, fisico, filosofo e teologo nato a Clermont Ferrand, a definire le basi per la legge altimetrica di variazione della pressione con la quota. Nello stesso arco temporale, Otto von Guericke inventò la sua pompa a vuoto e stupì le genti con la sua esperienza degli emisferi di Magdeburgo, schematicamente rappresentata in Figura 2. Durante questa esperienza, realizzata nella città di Ratisbona alla presenza del Reichstag e dell’imperatore Ferdinando III, vennero impiegati trenta cavalli, divisi in due gruppi di quindici, che, nonostante i loro sforzi, non riuscirono a dividere due emisferi entro i quali era stato fatto il vuoto, finché non fu riaperta la valvola e consentito nuovamente all’aria ambiente di occupare il volume all’interno degli emisferi.
Per dare una interpretazione ingegneristica all’esperienza di Ratisbona, ci si può riferire alla Figura 2. Il salto di pressione a cavallo della superficie di una sfera agisce su una superficie che è la superficie della sfera stessa, come in Figura 2a. Si consideri la sfera divisa in due semisfere. L’azione della pressione è localmente ortogonale alla superficie di ciascuna semisfera che, essendo una semisfera, porta ad avere una risultante lungo la direzione perpendicolare al piano diametrale della semisfera stessa. Quando due semisfere sono accostate con una tenuta stagna sulla circonferenza di contatto e formano la sfera completa, esse saranno soggette ad una forza risultante delle pressioni autoequilibrata. La forza di trazione FT tende a separare le due semisfere, come schematizzato in Figura 2a. La forza di trazione FT, per riuscire a separare le due semisfere, risulta essere almeno pari al prodotto del salto di pressione agente sulla superficie della sezione maestra della sfera.
Ciascuna schiera di cavalli, agendo come in Figura 2c, avrebbe dovuto esercitare, per separare le semisfere che avevano diametro di ottanta centimetri, una forza di circa cinque tonnellate, risultante del salto di pressione sulla superficie maestra dei cerchi sezione maestra della sfera. Più recentemente, il vuoto è stato ripensato in chiave quantistica dai primi decenni del Novecento, che coinvolge sia gli aspetti ondulatori sia quelli corpuscolari della materia.
Misura e generazione del vuoto
Verso la metà dell’Ottocento l’introduzione di nuovi tipi di pompe permisero di ottenere gradi di vuoto più spinti e di studiare i fenomeni di ionizzazione dei gas in condizioni di estrema rarefazione. Negli stessi anni fu enunciata la teoria cinetica dei gas. Nei primi anni del XX secolo vennero sviluppati vacuometri che consentirono di misurare pressioni fino a 10-1 N/m². Un primo vacuometro a ionizzazione arrivò a misurare fino a 10-6 N/m². Dopo la metà del XX secolo nuovi vacuometri a ionizzazione furono in grado di misurare vuoti estremi, anche spinti a 10-12 N/m². In Figura 3 si vede una serie di manometri e un vuotometro di uso industriale montati su pannello per prove di valutazione di componenti e sistemi anche funzionanti con il vuoto. Questi strumenti sono utilizzati presso il Laboratorio di Meccanica del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale del Politecnico di Torino. Il principio di funzionamento di questi strumenti di applicazione industriale è basato sul principio di funzionamento della molla Bourdon. Questo principio è illustrato nello schema di Figura 4, in alto, e mostrando il meccanismo interno nella fotografia di figura 4, in basso. La molla Bourdon è ricavata da tubi profilati in lega speciale di rame, chiusi alle estremità; per questo la molla Bourdon è detta anche tubo Bourdon. Una delle due estremità della molla Bourdon è vincolata solidalmente al corpo dello strumento, l’altra, invece, è lasciata libera ed è collegata, con una trasmissione, solitamente rappresentata da una bielletta e da un accoppiamento di ruote dentate, all’indice del vuotometro-manometro. La molla è un tubo al cui interno si fa arrivare il fluido di cui si vuole evidenziare la pressione o depressione. Al crescere della differenza di pressione tra interno della molla Bourdon ed ambiente esterno, la molla stessa tende a deformarsi (effetto Bourdon). L’entità del movimento dell’estremità libera della molla Bourdon è direttamente legata alla misura della depressione-pressione del fluido all’interno della molla Bourdon. Per una migliore lettura, questo movimento viene amplificato attraverso una trasmissione. La generazione del vuoto si realizza con strumenti ed impianti che sono scelti in funzione del grado di vuoto da raggiungere. Il termine “vuoto” è riferito alla situazione che si determina in un ambiente dove la pressione gassosa è minore di quella atmosferica. A seconda che la pressione sia poco o molto inferiore a quella atmosferica, i fenomeni che occorrono possono essere molto diversi, come diversi possono essere i mezzi per ottenere e misurare questa condizione di ambiente dove la pressione gassosa è minore di quella atmosferica.
Un vuoto parziale viene espresso in unità di pressione, questa grandezza ha una unità di misura che nel sistema internazionale (SI) è Newton su ogni metro quadrato. In un sistema di unità di misura non ISO (International Standard Organisation), il livello di pressione è anche misurato in torr (1torr=133,32 N/m²), in onore del fisico italiano Torricelli o, ancora, con i millimetri di colonna di mercurio (mmHg), usando la scala barometrica o, ancora, in rapporto alla pressione atmosferica di riferimento.
Convenzionalmente si definiscono diversi gradi di vuoto, ciascuno utilizzato in differenti applicazioni, come schematicamente si riporta in figura 5. Per ottenere, mantenere e misurare ciascuno di essi, in generale, sono necessarie differenti sistemi di pompaggio e diversi materiali per la costruzione di camere da vuoto.
