Che cos’è la viscosità?
La viscosità è un termine importante che descrive la resistenza di un liquido allo scorrimento, o la sua fluidità. Dipende dal modo in cui interagiscono le molecole e dalla quantità di attrito interno. È uno dei fattori fondamentali che influenzano la velocità di flusso. Per esempio, liquidi poco viscosi come l’acqua scorrono e si muovono più facilmente di quelli con viscosità elevata. Questa proprietà conta in molti settori industriali e scientifici: va considerata nella lavorazione e nel trasporto di oli, sostanze chimiche e alimenti. Non influisce soltanto sulle caratteristiche fisiche del liquido, ma anche direttamente sull’efficienza dei sistemi in cui viene utilizzato.
Tensione di taglio nei solidi e nei fluidi
I solidi oppongono una resistenza elevata alla tensione di taglio; nei fluidi questa resistenza è molto più bassa. Anche sotto una tensione di taglio minima, i fluidi continuano a deformarsi.
I fattori individuati da Newton per la tensione di taglio nei fluidi
Newton ha descritto così i fattori che determinano la tensione di taglio nei fluidi:
- La velocità della piastra (v) è direttamente proporzionale alla forza applicata (F).
- La forza applicata alla piastra mobile (F) è direttamente proporzionale all'area della piastra (A).
- La forza F applicata alla piastra mobile è inversamente proporzionale alla distanza tra le piastre (h).
Calcolo della tensione di taglio
Per la variazione lineare della velocità di un fluido newtoniano tra piastre parallele, la tensione di taglio è: τ = F/A = μ(v/h). Dove:
- τ: tensione di taglio (Pa)
- μ: viscosità dinamica (Ns/m²)
- v: velocità (m/s)
- h: distanza tra le piastre (m)
Variazione della velocità del fluido e tensione di taglio non lineare
La variazione della velocità non è sempre lineare. Per un fluido newtoniano, la tensione di taglio locale si calcola dal gradiente di velocità: τ = μ(dv/dy). Qui dv/dy indica la variazione della velocità nella direzione perpendicolare al flusso. Nei fluidi non newtoniani questa semplice relazione lineare non si applica allo stesso modo.
Viscosità cinematica e dinamica
Calcolo della viscosità cinematica
È il rapporto tra viscosità dinamica e densità: ν = μ/ρ. Dove:
- ν: viscosità cinematica (m²/s)
- μ: viscosità dinamica (Ns/m²)
- ρ: massa volumica (kg/m³)
Densità e peso specifico
La relazione tra densità e peso specifico è: ρ = γ/g. Dove:
- ρ: densità (kg/m³)
- γ: peso specifico (N/m³)
- g: accelerazione di gravità (m/s²)
Tensione di taglio e viscosità cinematica
Poiché in un fluido newtoniano μ = ρν, si può scrivere anche τ = ρν(dv/dy).
Unità di misura della viscosità
Nel Sistema Internazionale:
- Unità della viscosità dinamica: Ns/m² oppure Pa.s
- Unità della viscosità cinematica: m²/s
Fattori che influenzano la viscosità
I fattori che incidono sulla viscosità determinano le caratteristiche di fluidità dei liquidi. In generale, la viscosità diminuisce all'aumentare della temperatura. Un liquido caldo tende a essere meno viscoso e a muoversi più facilmente. Per esempio, l'acqua calda può scorrere più rapidamente di quella fredda. La temperatura aumenta la mobilità delle molecole e modifica quindi la fluidità. Anche la composizione chimica, la struttura molecolare e la dimensione delle molecole possono influenzare sensibilmente la viscosità. Molecole grandi e complesse, per esempio, possono ridurre la fluidità e produrre valori di viscosità più elevati. Anche le interazioni tra molecole polari e apolari possono modificare lo scorrimento. Ad alta pressione, le molecole del liquido si avvicinano: questo può aumentare la viscosità, riducendo la fluidità e creando una struttura più densa.