La fluidodinamica è la branca della fisica meccanica che studia il moto dei fluidi in tutte le sue varie forme. Tali moti si dividono in interni, vale a dire dentro i condotti, ed esterni. Il punto di partenza per uno studio di fluidodinamica è la forza d’attrito.
Alla base dei ragionamenti c’è una legge detta di Newton ed una grandezza chiamata viscosità. Un fluido è una sostanza che non ha forma e volume proprio; si adatta infatti al recipiente che lo contiene. Entrambi (liquidi e aeriformi) sono accomunati dal non avere una forma, ma dal seguire l’andamento del recipiente che li contiene. La branca della fluidodinamica che studia i liquidi si chiama Idraulica.
La densità dei liquidi è incomprimibile (= cost), mentre quella degli aeriformi è la comprimibilità.
Viscosità: Definizione e Misurazione
La viscosità è una grandezza fisica, propria dei fluidi, che indica come essi trasmettano sforzi tangenziali. Il sistema è formato da una lastra piana immersa in un fluido in moto.
La legge di Newton ci dice che se abbiamo un fluido in moto, che interferisce con un corpo solido, in prossimità dello stesso il fluido è sempre fermo. Lo sforzo tangenziale è proporzionale alla viscosità per la velocità di scorrimento. Se si rappresenta lo sforzo tangenziale (in Pa) in funzione della velocità di scorrimento, si rappresenta la viscosità con la pendenza della retta.
Fluidi Newtoniani e Non Newtoniani
Esistono diverse tipologie di fluidi:
- Dilatanti: la curva si discosta dall’andamento rettilineo verso valori maggiori dello sforzo tangenziale.
- Pseudoplastici: la curva si discosta dall’andamento rettilineo verso valori maggiori della velocità di scorrimento.
I fluidi non Newtoniani hanno memoria. Se si sta mescolando uno di questi e si decide di diminuire la velocità dell’operazione, non si percorre sul grafico il cammino appena seguito in direzione opposta, ma si compie un ciclo chiamato isteresi dei fluidi non Newtoniani. Le isteresi sono diverse a seconda che il fluido sia pseudoplastico o dilatante.
Viscosità Cinematica
Se la viscosità fosse "normalizzata" attraverso l’inerzia del fluido, le particelle tendono ad allontanarsi tanto più velocemente quanto più sono pesanti, ossia a parità di sforzo viene frenata più facilmente una corrente fluida a bassa densità, che non una ad alta densità.
Moto Laminare e Turbolento
Preso un serbatoio pieno d’acqua e praticata un’apertura sulla parete, alla quale è collegato un tubo di materiale trasparente, originariamente vetro, è possibile studiare l’andamento del liquido nel condotto al variare della sua velocità w.
Per bassi valori della velocità w e per contenute dimensioni dei condotti, il rivelatore non si mischia con il resto del fluido, ma prosegue indisturbato nel suo cammino. Per alti valori della velocità w e per grossi condotti, il rivelatore interagisce con il fluido circostante creando vortici ed altri fenomeni tipici.
Una volta scoperto sperimentalmente che la transizione da un regime all'altro era caratterizzata dal valore costante del prodotto velocità per il diametro del condotto, il passo successivo era la definizione di un parametro di controllo chiamato numero di Reynolds.
Generalmente si considera:
- Moto laminare: valori sotto il 2300
- Moto turbolento: valori al di sopra del 4100
All'interno di tale intervallo non è possibile fare una previsione sul comportamento del sistema.
Applicazioni Pratiche
L’importanza di tale fenomeno è evidente nel caso del condotto di raffreddamento. Fornendo una quantità di calore Q, il liquido in regime laminare si scalda e la sua temperatura cala in modo graduale con la distanza dalle pareti del tubo.
Forzando una situazione turbolenta invece si riesce a fare assorbire al liquido quantità di calore maggiori, migliorando le prestazioni del sistema. Questo è il caso tipico dell impianto di raffreddamento di un’automobile, che viene dimensionato per un liquido con determinati valori di viscosità e di densità, per avere al suo interno un regime turbolento.
Si vuole determinare la perdita di pressione (o come viene chiamata in gergo di carico) del fluido attraverso il tubo dovuta a fenomeni di tipo viscoso.
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