Viscoelasticità

La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che esibiscono delle caratteristiche sia plastiche che elastiche quando vengono sottoposte a deformazione.

I materiali viscosi (come il miele) resistono agli sforzi tangenziali linearmente rispetto al tempo, mentre i materiali elastici si deformano istantaneamente quando vengono sottoposti a delle sollecitazioni esterne e ritornano al loro stato originario quando queste sollecitazioni cessano. I materiali viscoelastici quindi hanno un comportamento intermedio tra quelli anzidetti.

Cenni storici e definizioni

Nel diciannovesimo secolo, fisici come James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann e William Thomson Kelvin ricercarono e sperimentarono con la strisciatura e il recupero di vetro di metalli e gomma^[1]. La viscolelasticità fu ulteriormente esaminata alla fine del ventesimo secolo quando furono creati i polimeri sintetici che vennero usati in varie applicazioni Errore nelle note: Parametro non valido nel tag <ref>.I calcoli della viscoelasticità dipendono dalla variabile di viscositàσ. l'inversa di σ è nota come fluidità,f. Il valore di entrambi può essere derivato come unafunzione della temperatura o come un valore dato (cioè come un punto di partenza)^[2].

 

Different types of responses (${\displaystyle \sigma }$ ) to a change in strain rate (d${\displaystyle \varepsilon }$ /dt)

Essendo dipendente dal cambio di tensione come dal verso dello sforzo all'interno del materiale, la viscosità può essere categorizzata in base all'avere una caratteristica lineare, non lineare o plastica. Quando un materiale mostra la caratteristica lineare viene categorizzato come materiale newtoniano^[2]. In questo caso lo forzo è linearmente proporzionale al tasso di tensione. Se il materiale mostra una caratteristica non lineare rispetto al tasso di tensione è categorizato come fluido non-newtoniano. c'è anche un caso interessante in cui la viscosità decresce in modo tale che il tasso di tensione/taglio rimane costante. Un materiale che mostra questo tipo di aspetto è noto come Thixotropico^[2]. In aggiunta quando lo sforzo è indipendente dal tasso di tensione, il materiale mostra deformazione plastica^[2]. Molti materiali viscoelastici mostrano una caratteristica simile alla gomma spiegata dalla teoria termodinamica dell'elasticità dei polimeri. In realtà tutti i materiali deviano dalla legge di Hooke in vari modi, per esempio esibendo sia caratteristiche di viscosità che di elasticità. I materiali viscoelastici sono quelli per cui la relazione tra sforso e tensione dipende dal tempo. I solidi anelastici rappresentano un sottoinsieme dei materiali viscoelastici: essi hanno un unica configurazione di equilibrio che ricuperano completamente alla fine dopo aver rimosso o ridotto il carico.

Alcuni fenomeni nei materiali viscoelastici sono (i) se lo sforzo si mantiene costante, la tensione cresce con il tempo (stiratura); (ii) se si mantiene costante la tensione, lo sforzo decresce con il tempo (rilassamento); (iii) l'effettiva rigidità dipende dal tasso di applicazione del carico (iv) se è applicato un carico ciclico, avviene un isteresi (un ritardo periodico), conducendo ad una dissipazione di energia meccanica; (v)le onde acustiche subiscono una attenuazione; (vi) il rimbalzo di un ogetto susseguente ad un urto è inferiore del 100%; (vii)durante il rotolamento, compare attrito radente. Tutti i materiali mostrano qualche proprietà viscoelastica. Di solito i metalli come l'acciaio e l'aluminio, allo stesso modo del quarzo, a temperatura ambiente ed a picoole trazioni, hanno un comportamento che non devia di molto dall'elasticità lineare. I polimeri sintetici, il legno e itessuti umani come i metalli ad alta temperatura mostrano effetti viscoelastici significativi. Per essere completo, un analisi o un progetto che coinvolge questi materiali deve considerare anche la loro caratteristica viscoelastica. La conoscenza della caratteristica di viscoelasticità di un materiale è basata su misurazioni.

Alcuni esempi di materiali viscoelastici includono polimeri amorfi, polimeri semicristallini, biopolimeri, mettalli ad elevate temperature, e materiali bituminosi. Si hanno delle rotture quando viene applicata una tensione rapida e al di fuori del limite elastico.

Un materiale viscoelastico ha le seguenti proprietà:

• isteresi si vede nella curva di stress-tensione
• rilassamento dello sforzo si oserva che applicando una tensione costante a gradini si ha decrescita dello stress
• stiramento si osserva: uno stress costante a gradini causa una crescita di tensione.

Rilassamento viscoelastico

In materiali come i polimeri termoplastici si osserva un rilassamento delle tensioni, detto rilassamento viscoelastico, portate a seguito di una certa deformazione imposta, il fenomeno si spiega con lo sgrovigliamento delle catene macromolecolari, sgrovigliamento che necessita di un certo tempo per compiersi.

Voci correlate

• Polimero
• Viscosità

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Riferimenti

1. ^ McCrum, Buckley, and Bucknell (2003): "Principles of Polymer Engineering," 117-176.
2. Errore nelle note: Errore nell'uso del marcatore <ref>: non è stato indicato alcun testo per il marcatore Meyers

• Silbey and Alberty (2001): Physical Chemistry, 857. John Wiley & Sons, Inc.
• Allen and Thomas (1999): "The Structure of Materials," 51.
• Crandal et al. (1999): "An Introduction to the Mechanics of Solids" 348
• J.Lemaitre and J.L. Chaboche (1994)" Mechanics of solid materials