Svelare i fluidi non newtoniani: una guida completa

Probabilmente hai sentito parlare di fluidi che sembrano sfidare le leggi della fisica: liquidi che si solidificano all'improvviso quando vengono colpiti o gel che scorrono liberamente finché non vengono agitati. Queste strane sostanze, note come fluidi non newtoniani, si comportano in modo molto diverso dai fluidi familiari che incontriamo ogni giorno. Mentre scienziati e ingegneri scoprono di più su questi materiali peculiari, le loro applicazioni in campi che vanno dall'aerospaziale alla medicina continuano ad espandersi.

In questa guida completa, ci immergeremo nei fondamenti della meccanica dei fluidi non newtoniani. Esploreremo cosa li distingue dai fluidi convenzionali, i diversi tipi di comportamento non newtoniano e gli esempi quotidiani che potresti riconoscere.

Cosa sono i fluidi non newtoniani

I fluidi non newtoniani sono una classe di fluidi che presentano un comportamento unico rispetto alle loro controparti newtoniane. A differenza dei fluidi newtoniani, che hanno una relazione lineare tra sforzo di taglio e velocità di taglio, i fluidi non newtoniani si discostano da questa linearità. Ciò significa che la loro viscosità, o resistenza al flusso, cambia a seconda dello sforzo applicato o della durata dello sforzo.

Il termine "non newtoniano" comprende un'ampia gamma di comportamenti dei fluidi che non seguono la legge di Newton sulla viscosità. Questa legge afferma che lo sforzo di taglio (τ) è direttamente proporzionale alla velocità di taglio (γ), con la costante di proporzionalità che è la viscosità (μ). Matematicamente, questa relazione è espressa come:

τ = μγ

Tuttavia, i fluidi non newtoniani non obbediscono a questa semplice relazione lineare. La loro viscosità può aumentare (shear-thickening) o diminuire (shear-thinning) con l'aumento della velocità di taglio, oppure possono mostrare un comportamento dipendente dal tempo, come la tissotropia o la reopessi.

Come funzionano i fluidi non newtoniani

Il comportamento unico dei fluidi non newtoniani deriva dalle loro complesse microstrutture. Questi fluidi contengono spesso particelle sospese, molecole a catena lunga o polimeri aggrovigliati che interagiscono tra loro e con il fluido circostante in modi intricati.

Quando un fluido non newtoniano è sottoposto a sforzo di taglio, la microstruttura subisce cambiamenti che influenzano la viscosità del fluido. Ad esempio:

• Nei fluidi che si ispessiscono per taglio, le particelle o le molecole possono formare cluster o catene temporanei che resistono al flusso, aumentando la viscosità.
• Nei fluidi che assottigliano per taglio, lo stress applicato può causare l'allineamento o il districamento delle molecole, riducendone la viscosità.
• Nel tempo, i fluidi dipendenti dal tempo possono presentare una rottura (tissotropia) o un accumulo (reopessi) della loro microstruttura, con conseguenti variazioni della viscosità.

Il comportamento specifico di un fluido non newtoniano dipende da fattori quali la dimensione, la forma e la concentrazione delle particelle sospese, nonché dalle interazioni tra queste e il fluido circostante.

Fluidi newtoniani vs. fluidi non newtoniani

Tipi di comportamento non newtoniano

I fluidi non newtoniani possono essere classificati in due categorie, in base alla loro risposta allo stress applicato: fluidi dipendenti dallo stress e fluidi dipendenti dal tempo.

Fluidi dipendenti dallo stress

I fluidi dipendenti dallo stress mostrano una variazione di viscosità in funzione dello sforzo di taglio applicato. Esistono due tipi principali di fluidi non newtoniani dipendenti dallo stress:

• Fluidi dilatanti (addensanti per taglio): Questi fluidi subiscono un aumento di viscosità con l'aumento della velocità di taglio. Un esempio classico è una miscela di amido di mais e acqua, spesso chiamata "oobleck". Quando sottoposto a stress improvviso, come agitazione o impatto, il fluido diventa più resistente al flusso, apparendo quasi solido. Questo comportamento è attribuito alla formazione di cluster di particelle temporanei che impediscono il flusso.
• Fluidi pseudoplastici (che assottigliano il taglio): Al contrario dei fluidi shear-thinning, i fluidi shear-thinning mostrano una diminuzione della viscosità con l'aumento della velocità di taglio. Molte sostanze comuni, come ketchup, vernice e shampoo, rientrano in questa categoria. A riposo, questi fluidi hanno una viscosità più elevata, ma quando viene applicato uno sforzo di taglio (ad esempio, schiacciando una bottiglia di ketchup), la viscosità diminuisce, consentendo al fluido di scorrere più facilmente. Questo comportamento è spesso dovuto all'allineamento o allo sbrogliamento di molecole a catena lunga sotto taglio.

Viscosità dipendente dal tempo

I fluidi non newtoniani dipendenti dal tempo mostrano un cambiamento di viscosità nel tempo quando sottoposti a una velocità di taglio costante. Esistono due tipi principali di comportamento non newtoniano dipendente dal tempo:

• Fluidi tissotropici: I fluidi tissotropici subiscono una diminuzione della viscosità nel tempo quando sottoposti a una velocità di taglio costante. Questo comportamento è reversibile, il che significa che il fluido riacquisterà la sua viscosità originale una volta rimosso lo sforzo di taglio. Un esempio comune di fluido tissotropico è lo yogurt. Quando viene mescolato, lo yogurt diventa meno viscoso e scorre più facilmente, ma riacquisterà gradualmente il suo spessore una volta lasciato indisturbato. La tissotropia è spesso attribuita alla rottura delle interazioni microstrutturali sotto taglio.
• Fluidi reopettici: I fluidi reopectici, noti anche come fluidi antitissotropici, mostrano il comportamento opposto dei fluidi tissotropici. Questi fluidi subiscono un aumento della viscosità nel tempo quando sottoposti a una velocità di taglio costante. Il comportamento reopectico è meno comune della tissotropia e si osserva spesso in alcuni tipi di gel e sospensioni. Un esempio di fluido reopectico è una sospensione di gesso in acqua. Quando vengono tagliate, le particelle di gesso formano reti interconnesse, aumentando la viscosità della sospensione.

Esempi quotidiani di fluidi non newtoniani

I fluidi non newtoniani sono più comuni nella nostra vita quotidiana di quanto si possa pensare. Ecco alcuni esempi quotidiani:

1. Ketchup: Il ketchup è un fluido che assottiglia il contenuto. Quando si picchietta il fondo di una bottiglia di ketchup, si applica un'improvvisa sollecitazione di taglio, che fa sì che il ketchup si assottigli e fuoriesca dalla bottiglia più facilmente.
2. Dentifricio: Il dentifricio è un altro esempio di fluido che assottiglia il dente. È denso e viscoso quando viene spremuto fuori dal tubetto, ma si assottiglia e si spalma facilmente quando viene spazzolato sui denti.
3. Sangue: Il sangue è un fluido non newtoniano complesso che mostra un comportamento di assottigliamento dovuto al taglio. Questa proprietà consente al sangue di fluire in modo efficiente attraverso gli stretti capillari del corpo.
4. Colore: Molte vernici sono fluidi diluenti al taglio. Sono spessi quando applicati con un pennello o un rullo, ma si diluiscono e si livellano uniformemente quando vengono stesi su una superficie.
5. Sabbie mobili: Le sabbie mobili sono un fluido che si ispessisce per taglio. Quando vengono agitate, le particelle di sabbia si bloccano insieme, aumentando la viscosità e rendendo difficile la fuoriuscita.
6. Miscela di amido di mais e acqua: Spesso chiamata "oobleck", questa miscela è un classico esempio di fluido addensa-taglio. Si comporta come un liquido quando viene mescolata lentamente, ma si solidifica quando è sottoposta a un impatto improvviso.
7. Mastice sciocco: Silly Putty è un materiale viscoelastico che presenta sia proprietà fluide che solide. Può scorrere lentamente sotto il suo stesso peso ma rimbalza come un solido quando cade.
8. Maionese: La maionese è un fluido che assottiglia il contenuto di ceneri e che mostra anche un comportamento tissotropico. È denso e viscoso quando è a riposo, ma si assottiglia e si diffonde facilmente quando viene mescolato o sottoposto a taglio.