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 viscoelasticità fu ulteriormente esaminata alla fine del ventesimo secolo, quando furono creati i polimeri sintetici, che vennero usati in varie applicazioni^[1]. La determinazione della viscoelasticità dipende dalla variabile di viscosità σ. L'inversa di σ è nota come fluidità f. Il valore di entrambi può essere derivato come una funzione 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 categorizzato 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 tixotropico^[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 sforzo 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:

• se lo sforzo si mantiene costante, la tensione cresce con il tempo (stiratura);
• se si mantiene costante la tensione, lo sforzo decresce con il tempo (rilassamento);
• l'effettiva rigidità dipende dal tasso di applicazione del carico;
• se è applicato un carico ciclico, avviene un isteresi (un ritardo periodico), conducendo ad una dissipazione di energia meccanica;
• le onde acustiche subiscono una attenuazione;
• il rimbalzo di un oggetto susseguente ad un urto è inferiore del 100%;
• durante il rotolamento, compare attrito radente.

Tutti i materiali mostrano qualche proprietà viscoelastica. Di solito i metalli come l'acciaio e l'alluminio, allo stesso modo del quarzo, a temperatura ambiente ed a piccole trazioni, hanno un comportamento che non devia di molto dall'elasticità lineare. I polimeri sintetici, il legno e i tessuti 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, metalli 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 osserva 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.

Note

1. McCrum, Buckley, and Bucknell (2003): "Principles of Polymer Engineering," 117-176.
2. Meyers and Chawla (1999): "Mechanical Behavior of Materials," 98-103.

Bibliografia

• 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

Voci correlate

• Polimero
• Viscosità

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