Viscosità: differenze tra le versioni

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[[File:Viscosity.gif|thumb|Confronto tra il comportamento di due sostanze aventi differente viscosità (in alto: sostanza a viscosità minore; in basso: sostanza a viscosità maggiore).]]

Nell'ambito dei [[fenomeni di trasporto]], la '''viscosità''' è unail [[grandezza fisica]] che misura la resistenza di un [[fluido]] allo scorrimento. Si tratta in altri termini del '''coefficiente di scambio di [[quantità di moto]]'''.<ref group="N">IlLa terminedicitura "coefficiente di scambio di quantità di moto" fa riferimento all'analogia esistente nell'ambito dei [[fenomeni di trasporto]] tra quest'ultimo e i coefficienti [[coefficiente di scambio termico|di scambio termico]] e [[coefficiente di scambio di materia|di scambio di materia]].</ref> Dal punto di vista microscopico la viscosità è legata all'attrito tra le [[molecole]] del fluido. Quando il fluido è fatto scorrere dentro una tubatura, le particelle che compongono il fluido generalmente si muovono più velocemente sull'asse della tubatura e più lentamente vicino alle sue pareti; per questa ragione uno [[tensione interna|sforzo]], che si traduce in una differenza di [[pressione]], è necessario per contrastare l'[[attrito]] tra gli strati di particelle e mettere in movimento il fluido. Lo sforzo percepito dal fluido è proporzionale alla sua viscosità.

La viscosità viene solitamente indicata con la [[alfabeto greco|lettera greca]] ''[[Mi (lettera)|μ]]'' (mu o mi) o più raramente con la lettera ''[[Eta (lettera)|η]]'' (eta) per richiamare il collegamento con il [[attrito|coefficiente di attrito]] della [[meccanica classica]]. Viene detta spesso '''"viscosità dinamica'''" per distinguerla dalla '''"viscosità cinematica'''", che è una grandezza similelegata alla viscosità dinamica, ma [[analisi dimensionale|dimensionalmente]] differente. Si definisce inoltre '''"fluidità'''" la grandezza [[reciproco|reciproca]] della viscosità.<ref>{{Cita|Silvestroni|p. 201}}.</ref><ref>{{en}} [http://goldbook.iupac.org/F02450.html IUPAC Gold Book, "fluidity"]</ref>

Un fluido che non ha viscosità si dice ideale. In realtà esistono a [[criogenia|bassa temperatura]] dei fluidi senza viscosità, i cosiddetti [[superfluido|superfluidi]]. Nel linguaggio comune spesso il limite di demarcazione tra i liquidi è posto dall'acqua, per cui si identificano per non viscosi i fluidi con viscosità minore dell'acqua. Inoltre fluidi con viscosità molto alta come la [[pece]] appaiono non molto diversi da un solido.

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== Descrizione ==

=== [[Fluido newtoniano|Fluidi newtoniani]] e [[Fluido non newtoniano|non newtoniani]] ===

[[File:Viscous regimes chart.png|thumb|upright=1.9|Sforzo di taglio (''shearing stress'') in funzione della [[velocità di flusso]] (''rate of shearing strain'' <math> \frac{\partial u}{\partial y}</math>) per vari fluidi tipici: pseudoplastici (''Bingham plastic''), assottiglianti (''Shear thinning''), newtoniani, dilatanti (''Shear thickening''). La viscosità dinamica è la pendenza, che è una costante solo per i fluidi newtoniani e per i pseudoplastici al di sopra del valore di soglia.]]{{Vedi anche|Fluido newtoniano|Fluido non newtoniano}}

La [[legge di Stokes]] (viscosità lineare) e, analogamente ad altre leggi, come la [[legge di Hooke]], non è una legge fondamentale della natura, ma una legge che approssima il comportamento solo di alcuni materiali.

La [[legge di Stokes]] (viscosità lineare) e analogamente ad altre leggi, come la [[legge di Hooke]], non è una legge fondamentale della natura, ma una legge che approssima il comportamento solo di alcuni materiali.

Tale legge definisce un comportamento viscoso ideale, caratterizzato da un valore del coefficiente di viscosità indipendente dallo [[sforzo di taglio]] <math>\tau</math> e dal gradiente del flusso di scorrimento: i fluidi che obbediscono a tale legge sono detti [[fluidi newtoniani]]. In realtà per molti fluidi il coefficiente di viscosità <math>\mu</math> è variabile con <math>\tau</math>. Un fluido caratterizzato da una risposta nel gradiente del flusso di scorrimento non lineare rispetto allo sforzo di taglio si denomina fluido non newtoniano. I [[gas]], l'acqua e molti fluidi comuni sono in condizioni normali newtoniani. Per quanto riguarda i [[fluido non newtoniano|fluidi non newtoniani]] possiamo fare la seguente classificazione anche se non completa:

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=== Spiegazione microscopica ===

La viscosità di un fluido è determinata dal meccanismo con cui le molecole che lo compongono interagiscono tra di loro. Non vi è un'espressione semplice per la viscosità di un fluido. Le [[formule di Green-Kubo]] sono le più semplici ed esatte relazioni che permettono di determinare i coefficienti di trasporto, tra cui la viscosità, mediante degli integrali della funzione di correlazione temporale.<ref name=EM>{{cita pubblicazione | titolo = Transient-time-correlation functions and the rheology of fluids | rivista = Physical Review A | anno = 1988 | nome = Denis J. | cognome = Evans |nome2=Gary P. |cognome2=Morriss | volume = 38 | pp = 4142–41484142-4148 | doi = 10.1103/PhysRevA.38.4142 | url = https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.38.4142 | bibcode = 1988PhRvA..38.4142E | pmid = 9900865 | lingua = en}}</ref> Sebbene tali soluzioni siano esatte, per il calcolo della viscosità dei fluidi densi è necessario utilizzare tecniche di [[dinamica molecolare]].<ref name=EM/></br />

Vi è da aggiungere che determinare la viscosità dei gas rarefatti risulta un problema relativamente semplice. In tal caso, anche facendo delle semplici ipotesi basate sulla [[teoria cinetica dei gas]], è possibile avere una buona comprensione dell'origine molecolare della viscosità. Una trattazione più sofisticata può essere sviluppata basandosi, con una opportuna divisione spaziale, sulla [[Approssimazione di Chapman-Enskog|teoria di Chapman ed Enskog]] che utilizza l'[[equazione di Boltzmann per il trasporto|equazione di Boltzmann]] per le molecole di gas.

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In questo modo invece di una forza si misura il [[momento meccanico]] applicato e la [[velocità angolare]] del piatto mobile.

La misura della viscosità è ritenuta dagli addetti ai lavori come molto soggettiva, in quanto lo [[strumento di misura]] non riesce ad applicare correttamente la definizione della grandezza (una per tutte: usare un piattello, per esempio di acciaio, introduce uno strato di fluido in prossimità di esso che non si comporta come fluido libero e questo influenza la misura).

Normalmente, infatti, accanto a ogni misura di viscosità, occorre indicare in che condizioni e con quale strumento (inclusi marca e modello) è stata realizzata.

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| url = https://archive.org/details/jstor-108948 | rivista= Philosophical Transactions of the Royal Society of London

| volume = 156

| pp = 249–268249-268

| doi = 10.1098/rstl.1866.0013

| lingua = en

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==== Dimostrazione ====

Consideriamo il caso di molecole di un gas perfetto, tra due piani uno fisso e l'altro a distanza d<math>D</math>, che si muove con velocità costante <math>u</math>. Le particelle di gas di ogni strato hanno una velocità media <math>\overline u_x(y)</math> (molto più bassa della velocità quadratica media <math>v_T</math> dovuta alla agitazione termica), con <math>y</math> variabile da <math>0</math> e <math>dD</math>. La velocità media cresce con la distanza dal piano fisso, per cui particelle che dallo strato

<math>y-dy </math> vanno allo strato <math>y</math> trasportano quantità di moto e determinano una forza resistente nello strato superiore e una trascinante (eguale e contraria nello stato inferiore). Vi sono nel gas <math>n </math> molecole per unità di volume. Il [[cammino libero medio]] (la distanza media che percorrono le molecole) in un gas perfetto è:

: <math>\lambda = \frac {1}{\sqrt{2}\pi d^2 n} </math>

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La scelta della viscosità di un lubrificante va operata tenendo in considerazione sia la temperatura minima di funzionamento del motore (temperatura invernale) sia quella massima (temperatura estiva): è fondamentale scegliere un olio che resti sufficientemente fluido a bassa temperatura per garantire un facile avviamento, ma che allo stesso tempo assicuri un mantenimento soddisfacente della viscosità quando il [[motore]] è sotto sforzo.

Altre caratteristiche fondamentali del lubrificante (come [[resistenza meccanica]], antischiuma o resistenza alla temperatura) sono invece stabilite dalle specifiche internazionali ('''API''', '''ACEA''', '''JASO''').

{| class="wikitable"

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== Solidi ==

[[File:University of Queensland Pitch drop experiment-4.jpg|thumb|Apparato sperimentale per la misurazione della viscosità della pece<ref>{{cita pubblicazione|url=http://www.physics.uq.edu.au/physics_museum/pitchdrop.shtml|titolo=The pitch drop experiment|nome1=R.|cognome1=Edgeworth|nome2=B.&nbsp;J.|cognome2=Dalton|nome3=T.|cognome3=Parnell|rivista=European Journal of Physics |anno=1984|volume=1984|pp=198–200198-200|lingua=en}}</ref>.]]

È comunemente accertato che i [[solido amorfo|solidi amorfi]], come il [[vetro]], hanno viscosità, basandosi sul fatto che tutti i solidi fluiscono impercettibilmente in risposta a uno [[sforzo di taglio]] (in [[lingua inglese|inglese]] ''shear stress''). Il vetro può infatti essere interpretato come un fluido ad altissima viscosità (il vetro non ha un ''punto di fusione'' definito, non possedendo una struttura cristallina - vedi anche [[calore di fusione]]).

Alcuni sostengono che la distinzione tra [[solidi]] e liquidi non sia chiara e che i solidi siano semplicemente [[liquidi]] con un'alta viscosità, tipicamente maggiore di <math>10^{12}\,\mathrm{Pa}\cdot s</math>. I sostenitori di questa posizione la giustificano spesso con l'affermazione (diffusa ma falsa) che il vetro può fluire in modo estremamente lento.

Un esempio a questo proposito è rappresentato dalle antiche [[vetrate]] decorative di chiese e altri edifici storici. Secoli fa, la lavorazione del vetro era un'attività quasi interamente manuale, quindi non sorprende affatto che ci siano delle irregolarità nelle sottili lastre colorate destinate a comporre le fini vetrate. Oggigiorno, i restauratori d’arte hanno notato che i singoli cocci di vetro che compongono la vetrata, presentano tutti una dilatazione alla loro base. Una parte sottile in alto e una parte più spessa in basso. Per spiegare questo nel tempo è sorta l’ipotesi che questo fenomeno sia causato dalle proprietà del vetro che, possedendo una viscosità non infinita, con il passare dei secoli e grazie alla [[gravità]], sia “scivolato” come un liquido e si sia quindi accumulato alla base, formando un leggero rigonfiamento. Questa spiegazione, seppur sembri convincente e plausibile, non ha alcun fondamento di verità in quanto ci è noto che i mastri vetrai solevano disporre volutamente i cocci di vetro imperfetti con il lato pesante rivolto verso il basso, in modo da donare maggiore stabilità alla fragile vetrata.

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Anche se molti solidi fluiscono, quando sottoposti a sforzi elevati, essi sono caratterizzati dal loro comportamento a basso sforzo. La viscosità può essere un'appropriata caratteristica dei solidi in regime [[plasticità (fisica)|plastico]].

Questo uso del termine viscosità può generare confusione quando usato in relazione a certi materiali solidi, come i [[materiali di Maxwell]], per descrivere la relazione tra sforzo e velocità di variazione della tensione piuttosto che della [[velocità di taglio]].

Queste distinzioni possono essere in gran parte risolte considerando le equazioni costitutive del materiale in questione, che tengono conto del suo comportamento viscoso ed elastico.

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Per bassi valori di carico applicato e considerando un tempo di osservazione abbastanza breve (durante il quale permangono tali tensioni), il comportamento reologico del calcestruzzo può definirsi elastico lineare.

Dato un parallelepipedo di calcestruzzo, applicando su di esso una forza di [[compressione (meccanica)|compressione]] esso entrerà in [[Tensione (meccanica)|tensione]], e subirà un accorciamento istantaneo che è da attribuirsi alla componente elastica della viscosità ('''viscosità elongazionale''', dall'inglese ''elongational viscosity''). Se poi viene lasciata invariata nel tempo la forza sull'oggetto, senza rimuoverla né variarla d'intensità, lo stato tensionale rimarrà invariato, e avendo comportamento viscoso si potrà vedere invece che continueranno a registrarsi accorciamenti, ossia l'oggetto continua a deformarsi. Tali deformazioni sono legate alla componente puramente viscosa della viscosità ('''viscosità di taglio''', dall'inglese ''shear viscosity''). Se dopo avere avuto anche le deformazioni viscose si rimuove il carico si osserva che le deformazioni elastiche non verranno recuperate totalmente, poi nel tempo si vedrà anche il recupero di una parte delle deformazioni viscose. Questo parziale recupero delle deformazioni è dovuto all'irrigidimento del materiale nel corso del tempo in cui è stato sottoposto a carico. Si osserva così un materiale più resistente, rispetto al parallelepipedo iniziale.

==== Fattori che influenzano il fenomeno ====

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** [[umidità relativa]]

* geometria dell'elemento

** superficie specifica a contatto con l'ambiente esterno.<ref group="N"><math>h_o=2A_c/u</math> dove: <math>h_o=</math> dimensione fittizia; <math>A_c=</math> area della sezione del conglomerato; <math>u</math> = perimetro della sezione di conglomerato a contatto con l'atmosfera</ref>

==== Deformazione viscosa ====

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== Note ==

;Annotazioni

<references />

<references group="N"/>

;Fonti

<references />

== Bibliografia ==

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== Altri progetti ==

{{interprogetto|wikt|preposizione=sulla}}

== Collegamenti esterni ==

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* {{cita web|http://www.physics.uq.edu.au/pitchdrop/pitchdrop.shtml|Dimostrazione dell'alta viscosità della pece nera - Premio IG Nobel 2005|lingua=en}}

{{Meccanica del continuo}}

{{Scienza del vetro}}

{{Controllo di autorità}}

{{Portale|fisica|ingegneria|meccanica}}