Cosa è un fluido newtoniano

I fluidi rappresentano uno stato della materia che ha delle caratteristiche ben definite rispetto a solidi o gas. All’interno di questa macrocategoria vi sarà capitato di imbattervi nell’ulteriore divisione tra fluido newtoniano e fluido non newtoniano.

In questo articolo, scritto insieme a Gilberto Tani, specialista in manutenzione impianti ad olio diatermico, cercheremo di analizzare che cosa sono i materiali fluidi in generale, focalizzandoci poi su cos’è e quali sono le caratteristiche di un fluido newtoniano.

Cos’è un materiale fluido

I fluidi sono materiali non dotati di una forma propria e che non possono sostenere uno sforzo di taglio. In questa categoria rientrano liquidi, aeriformi, plasma e solidi plastici. I loro comportamenti vengono studiati in una disciplina detta fluidomeccanica.

Un fluido ha alcune caratteristiche proprie che lo distinguono dalle altre sostanze:

• Omogeneità: determina quanto sono costanti le proprietà fisiche all’interno del volume.
• Compressibilità: riguarda la resistenza che un fluido oppone alle compressioni.
• Diffusione: è la capacità di un fluido di allargarsi occupando tutto il volume che ha a disposizione.

I fluidi presentano poi alcune proprietà che li differenziano dagli altri stati della materia:

• Tensione superficiale: quantità di energia necessaria per aumentare la sua superficie.
• Coesione: attrazione intermolecolare tra molecole simili fra loro.
• Adesione: attrazione intermolecolare tra molecole diverse fra loro.
• Viscosità: misura la resistenza al flusso di un fluido.

Differenze tra solidi e fluidi

Spesso per differenziare solidi da fluidi si ricorre alla distinzione comune per cui i solidi hanno forma propria mentre i fluidi assumono la forma del proprio contenitore.

Le molecole dei fluidi sono infatti fortemente impaccate, mentre quelle dei solidi sono a stretto contatto tra loro e la propria possibilità di movimento è ridotta.

Ad ogni modo esistono altre caratteristiche che differenziano i due. Una riguarda gli sforzi generati a causa di una deformazione. Per i solidi questi sforzi sono compiuti a favore della deformazione stessa, mentre per i fluidi questi sono proporzionali alla velocità di deformazione.

Una seconda differenza riguarda i comportamenti di solidi e fluidi. I solidi rispondono al modulo di elasticità, o di Young, ossia alla grandezza fisica che indica il rapporto tra sforzo applicato e deformazione derivata. Il comportamento dei fluidi è caratterizzato invece dalla viscosità, ossia l’attrito interno di un liquido.

Differenza tra fluido newtoniano e fluido non newtoniano

Le differenze identificate nel paragrafo precedente rappresentano tuttavia un’approssimazione. Infatti nei materiali reali gli sforzi sono effettuati sia in funzione della deformazione, sia della velocità di trasformazione.

Si definisce quindi una terza categoria in relazione alla linearità o meno della legge sforzo-deformazione dei fluidi ossia i fluidi, o solidi, viscoelastici.

Come affermato in precedenza, la viscosità è la grandezza fisica che misura qual è la resistenza che un fluido oppone allo scorrimento e si indica con la lettera greca μ.

La legge della viscosità lineare, nota come legge di Stokes, approssima il comportamento di alcuni materiali. Questa definisce un tipo di comportamento ideale in cui il valore del coefficiente di viscosità è indipendente dallo sforzo al taglio e dal gradiente del flusso di scorrimento.

I fluidi newtoniani sono quelli che rispettano questa legge per cui la viscosità rimane costante al variare della velocità di deformazione. Questi rispondono inoltre alla legge di Newton sulla viscosità che determina le caratteristiche di un fluido newtoniano. Secondo tale legge la tensione tangenziale è direttamente proporzionale al gradiente di velocità e le due grandezze sono legate dal fattori di proporzionalità di viscosità dinamica del fluido μ.

Al contrario, i fluidi non newtoniani non hanno un valore di viscosità definito, ma che cambia al variare della velocità.

I fluidi si possono quindi classificare come:

• Fluido newtoniano o lineare: nella velocità di deformazione gli sforzi effettuati sono direttamente proporzionali.
• Fluido non newtoniano o non lineare: nella velocità di trasformazione gli sforzi non sono lineari.

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