idraulica
astrofisica
sito itn
errori
giovanni38@tiscali.it
radiazione solare
casa
termodinamica

VISCOSITA' ASSOLUTA

DEFINIZIONE: la viscosità è la forza che si sviluppa quando a) un solido si muove sopra o dentro un fluido (liquido o aeriforme) o b) un fluido si muove contro un solido o c) due fluidi si muovono a contatto fra loro.
ESEMPI: tipo a): aereo o sommergibile o nave; tipo b): vento contro una casa; tipo c): strati di aria.
REGIME DI POISEUILLE: si abbia una vasca contenente un liquido e una piastra di superficie A su di esso. Sulla piastra agisca una forza F tale da produrre un moto uniforme di velocità v. In queste condizioni sulla superficie di contatto fra liquido e piastra si sviluppa una resistenza R nel verso opposto al moto (vedi attrito radente). Poichè il moto è uniforme, la somma delle forze applicate deve essere zero(a) e quindi.

F - R = 0

REGIME DELLE VELOCITA': lo strato di liquido aderente(b) alla piastra ha la velocità v; lo strato aderente al fondo del recipiente ha velocità zero; lungo l'altezza h la velocità ha una distribuzione di tipo proporzionale con un diagramma triangolare come in figura.
VISCOSITA': nelle condizioni suddette si può scrivere:

R = m * A * Dv / Dh

La quantità m prende il nome di viscosità assoluta ed è stata definita da Poiseuille nelle condizioni descritte, dette di regime regolare(c) o laminare, nelle quali gli strati di fluido "scorrono" l'uno sull'altro senza mescolarsi, come se fossero fogli di carta.

Ricavando m dalla relazione precedente si ottiene:

m = (R / A) * (Dh / Dv)

per cui si può dire che la viscosità m è la forza F = R che si deve applicare ad una superficie A affinchè si muova di moto uniforme con velocità v quando si trova alla distanza h dal fondo(d).
La viscosità dipende dalla natura del fluido (negli aeriformi è molto minore che nei liquidi), ma soprattutto dalla sua temperatura. Infatti possiamo interpretare la viscosità come la forza necessaria a "rompere" i legami fra le particelle del fluido (coesione) per "passare" in mezzo ad esse. La "perdita" di energia in calore si può interpretare come "fatica" necessaria ad allontanare le particelle in modo da poter passare. Quando la temperatura cresce, la coesione diminuisce perchè le particelle si allontanano fra loro e quindi anche la viscosità diminuisce.
In questo senso la viscosità dipende dalla densità del fluido, densità che è funzione indiretta della temperatura: quando l'una aumenta, l'altra diminuisce.
Se la piastra è immersa nel fluido, il fenomeno descritto è doppio, cioè il trascinamento dei filetti fluidi avviene anche nella parte superiore. In realtà poi non è necessario che ci sia una piastra (la situazione descritta è utile solo per misurare m): tutto ciò che si è detto si può ripetere immaginando di "solidificare" uno straterello di liquido in movimento. Ciò è importante nello studio delle correnti marine, nelle quali una porzione di liquido si muove dentro lo stesso liquido, mantenendo quasi una propria identità(e).
L'unità di misura della viscosità è il Poise, che è la viscosità di un liquido tale che, applicando una forza di 1 kg ad una piastra della superficie di 1m2, essa si muove alla velocità uniforme di 1 m/s alla distanza di 1 m dal fondo. Questa unità di misura è troppo grande (cioè non esistono liquidi capaci di mantenere il moto laminare sino ad 1 m di distanza), per cui solitamente si usa il centiPoise (cPoise), cioè 1 centesimo di Poise.
Nella pratica commerciale non si usa misurare m, ma un altro numero legato alla viscosità dell'acqua: si utilizza la viscosità relativa °E, misurata in gradi Engler.

a) Moto uniforme significa con velocità costante, cioè senza accelerazione, e quindi F = m * a = m * 0 = 0.
b) Fra gli atomi superficiali del recipiente e gli atomi del liquido si sviluppano delle forze di attrazione molto forti, per cui si dice che la superficie "si bagna". Lo strato aderente si può distaccare con il calore (acqua o liquidi simili) o con solventi specifici (olio lubrificante); se tale strato non viene rimosso, esso accompagna per sempre il solido, per cui si può dire che la nave non si muove rispetto al mare, ma è il suo strato aderente (quello che la ha bagnata al momento del varo) che opera tale moto!
c) Il regime opposto (filetti fluidi che si mescolano fra loro) è detto turbolento o vorticoso. Con l'acqua il regime laminare è difficile da ottenere: occorre un tubo di piccolo diametro e una piccola velocità. A 20 °C, in un tubo di 0,1 m di diametro, la velocità massima di regime regolare è di circa 0,002 m/s, cioè circa 7,2 m/h. In un tubo di 0,01 m, cioè 10 volte più piccolo, la velocità possibile è 10 volte più grande.
d) Naturalmente, ciò non può avvenire qualunque sia h: lo spessore di liquido trascinato dalla piastra è sempre molto piccolo poichè, essendoci movimento, c'è lavoro e quindi trasformazione di energia in calore.
(e) Si pensi alla Corrente del Golfo, capace di "trasportare" calore dall'equatore sino alla Gran Bretagna e alla Norvegia!