Analogia Idraulica – Analogia Elettrico-Fluida
L’analogia idraulica, o analogia elettrico-fluida, è un parallelo comunemente usato tra idraulica ed elettricità, molto utile nell’insegnamento e per chi cerca di comprendere il funzionamento dei circuiti. Essa può essere applicata anche ai problemi di trasferimento di calore. Poiché la corrente elettrica è invisibile e i processi in gioco nell’elettronica sono spesso difficili da dimostrare, i vari componenti elettronici sono rappresentati con equivalenti idraulici.
Principio di Continuità
In ogni circuito, sia esso fluidico o elettrico, che presenta più rami e elementi paralleli, la velocità di flusso attraverso qualsiasi sezione trasversale deve essere la stessa. Questo è talvolta chiamato principio di continuità. Nell’idraulica, la velocità di flusso si stabilizza nel punto in cui le perdite di attrito del circuito si intersecano con le caratteristiche della pompa. Similmente, in un circuito elettrico, la corrente si stabilizza dove R x I sarà uguale alla tensione della sorgente.
Legge di Ohm e Hagen-Poiseuille
La relazione tra tensione e corrente è definita (in dispositivi ohmici come le resistenze) dalla legge di Ohm. La legge di Ohm è analoga all’equazione di Hagen-Poiseuille, poiché entrambi sono modelli lineari che correlano flusso e potenziale nei loro rispettivi sistemi.
Componenti del Circuito e loro Analoghi Idraulici
Tensione: È come la differenza di pressione che spinge l’acqua attraverso il tubo. Misurata in volt (V).
Corrente: Equivalente alla portata volumetrica dell’acqua; ossia, la quantità volumetrica di acqua che scorre nel tempo. Misurata in ampere (A).
Carica Elettrica: Equivalente a una quantità di acqua.
Resistenza: Simile al diametro del tubo o agli ostacoli nel tubo che rallentano il flusso d’acqua. Misurata in ohm (Ω).
Batterie, Resistore, Filo, Condensatore, Induttore e Diodo
Batterie: Paragonabili a pompe d’acqua che fanno circolare l’acqua in un circuito chiuso.
Resistori: Simili a una sezione di rete di tubi dove il raggio del tubo è ristretto.
Filo: Analogamente al tubo pieno d’acqua, con la resistenza del filo paragonabile all’attrito dell’acqua nel tubo.
Condensatori: Equivalgono a un serbatoio con una membrana divisoria che si estende sotto pressione dell’acqua.
Induttori: Paragonabili a una ruota a pale pesante nel flusso fluido.
Diodi: Confrontabili con una valvola di controllo direzionale.
L’analogia idraulica è talvolta utilizzata per descrivere la legge di Ohm. La legge di Ohm per il flusso di corrente elettrica e la legge di Poiseuille per il flusso regolare di fluidi sono di forma simile. Secondo questa legge, tensione, corrente e resistenza sono tutte correlate. Se si cambia uno di questi elementi in un circuito, anche gli altri cambieranno. Specificatamente, la tensione è uguale alla corrente moltiplicata per la resistenza: V = I · R. Pensando all’acqua, aggiungendo sabbia nel tubo e mantenendo la stessa pressione, è come ridurre il diametro del tubo. Di conseguenza, meno acqua scorre. Possiamo dire che la velocità di flusso dell’acqua attraverso un restringimento è proporzionale alla differenza di pressione idraulica attraverso il restringimento. Allo stesso modo, la velocità di flusso della carica elettrica, ossia la corrente elettrica, attraverso un resistore è proporzionale alla differenza di tensione misurata attraverso il resistore.
Conclusioni
L’analogia idraulica fornisce un quadro efficace per comprendere i principi dell’elettricità e dei circuiti. Rende visibili i processi invisibili dell’elettronica e aiuta a capire meglio come varie componenti interagiscono in un sistema. Attraverso questa analogia, possiamo visualizzare e comprendere meglio concetti complessi dell’elettronica e della fisica.
