Cosa sono i fluidi newtoniani e non newtoniani

Ti sei mai chiesto quali sono i diversi tipi di fluidi?

I fluidi sono sostanze che possono scorrere e deformarsi sotto pressione. Si dividono in due categorie principali: newtoniani e non newtoniani.

I fluidi newtoniani hanno una viscosità costante, mentre i fluidi non newtoniani cambiano la loro viscosità sotto stress.

Cos'è il fluido newtoniano

Un fluido newtoniano è un tipo di fluido che presenta una relazione lineare tra lo sforzo di taglio e la velocità di taglio. Questa relazione rimane costante indipendentemente dalla forza applicata.

I fluidi newtoniani seguono la legge della viscosità di Newton, la quale afferma che lo sforzo di taglio è direttamente proporzionale alla velocità della deformazione di taglio. Questo comportamento è caratterizzato da un coefficiente di viscosità costante.

Caratteristiche chiave del fluido newtoniano

Viscosità costante

La viscosità di un fluido newtoniano rimane costante al variare della velocità di taglio. Questa proprietà distingue i fluidi newtoniani dalle loro controparti non newtoniane.

Indipendentemente dalla forza applicata, la resistenza del fluido al flusso rimane invariata. Questa caratteristica rende i fluidi newtoniani prevedibili e più facili da modellare matematicamente.

Relazione lineare

I fluidi newtoniani mostrano una relazione lineare tra lo sforzo di taglio e la velocità di taglio. Questa relazione è rappresentata da una linea retta su un grafico che traccia lo stress di taglio rispetto alla velocità di taglio.

La pendenza di questa linea rappresenta la viscosità del fluido. Per i fluidi newtoniani, questa pendenza rimane costante in un ampio intervallo di velocità di taglio.

Esempi di fluido newtoniano

• Acqua: L'acqua è l'esempio più comune di fluido newtoniano. La sua viscosità rimane costante in condizioni normali, rendendolo ideale per varie applicazioni nella meccanica dei fluidi.
• Aria: L'aria, come la maggior parte dei gas, si comporta come un fluido newtoniano in condizioni normali. La sua viscosità è indipendente dalla velocità di taglio, consentendo caratteristiche di flusso costanti nei processi atmosferici e nelle applicazioni aerodinamiche.
• Miele: Nonostante la sua elevata viscosità, il miele mostra un comportamento newtoniano. Le sue proprietà di flusso rimangono costanti indipendentemente dalla forza applicata, rendendolo un esempio unico di fluido newtoniano viscoso.

Cosa sono i fluidi non newtoniani

I fluidi non newtoniani sono fluidi complessi che non seguono la legge della viscosità di Newton. La loro viscosità cambia con la velocità di taglio o lo stress applicato.

A differenza dei fluidi newtoniani, che mantengono una viscosità costante, i fluidi non newtoniani mostrano una viscosità variabile in diverse condizioni di flusso. Questo comportamento deriva dalle loro complesse strutture molecolari o dalle particelle sospese.

Tipi di fluidi non newtoniani

Fluidi indipendenti dal tempo

Questi fluidi mostrano cambiamenti immediati nella viscosità con la velocità di taglio, indipendentemente dalla durata dell'applicazione di taglio.

• Fluidi (pseudoplastici) che assottigliano il taglio: I fluidi fluidificanti al taglio subiscono una diminuzione della viscosità all'aumentare della velocità di taglio. Esempi comuni includono ketchup, vernice e sangue.
• Fluidi addensanti (dilatanti) per taglio: I fluidi addensanti al taglio mostrano un aumento della viscosità all'aumentare della velocità di taglio. Le miscele di amido di mais-acqua e alcune soluzioni polimeriche mostrano questo comportamento.
• Rendimento dei fluidi antistress: Questi fluidi richiedono uno stress minimo (stress di snervamento) per avviare il flusso. Dentifricio e fanghi di cemento sono esempi di fluidi con stress di snervamento.

Fluidi dipendenti dal tempo

La viscosità di questi fluidi cambia sia con la velocità di taglio che con la durata dell'applicazione del taglio.

• Fluidi tissotropici:
  I fluidi tissotropici mostrano una diminuzione della viscosità nel tempo se sottoposti a taglio costante. Molti gel e sospensioni mostrano un comportamento tissotropico.
• Fluidi reopettici: I fluidi reopeptici subiscono un aumento di viscosità nel tempo sotto taglio costante. Questo comportamento è meno comune ma può essere osservato in alcuni lubrificanti.

Fluidi Viscoelastici

I fluidi viscoelastici mostrano proprietà sia viscose che elastiche. Mostrano un recupero elastico parziale dopo la rimozione dello stress.

Le soluzioni polimeriche e alcuni fluidi biologici come il liquido sinoviale mostrano un comportamento viscoelastico.

Esempi di fluidi non newtoniani

• Fluidi biologici: Il sangue è un ottimo esempio di fluido non newtoniano nel corpo umano. La sua viscosità diminuisce con l'aumentare della velocità di taglio, facilitando il flusso attraverso i vasi sanguigni.
• Polimeri e soluzioni polimeriche: Molte soluzioni polimeriche mostrano un comportamento non newtoniano. Le loro complesse strutture molecolari portano a viscosità dipendenti dal taglio.
• Sospensioni: Le sospensioni di particelle spesso mostrano caratteristiche non newtoniani. L'interazione tra le particelle e il mezzo di sospensione determina comportamenti di flusso complessi.
• Prodotti alimentari: Vari prodotti alimentari, come maionese, yogurt e miele, mostrano proprietà non newtoniani.
• Fluidi industriali: Fanghi di perforazione, lubrificanti e vernici sono esempi di fluidi non newtoniani ampiamente utilizzati nelle applicazioni industriali.

Differenze chiave tra fluidi newtoniani e non newtoniani

Risposta della viscosità allo stress applicato

I fluidi newtoniani mantengono una viscosità costante indipendentemente dallo stress applicato. I fluidi non newtoniani mostrano una viscosità variabile a seconda della velocità di taglio.

Comportamento e modelli di flusso

I fluidi newtoniani dimostrano una relazione lineare tra lo sforzo di taglio e la velocità di taglio. I fluidi non newtoniani mostrano un comportamento non lineare.

Alcuni fluidi non newtoniani mostrano proprietà di assottigliamento o ispessimento del taglio. Ciò influisce sulle loro caratteristiche di flusso in diverse condizioni.

Sfide nella gestione di fluidi non newtoniani

Il trattamento dei fluidi non newtoniani richiede attrezzature e tecniche specializzate. La loro viscosità variabile complica le previsioni del flusso e l’efficienza della pompa.

Fondamenti di meccanica dei fluidi

Sollecitazione di taglio

Lo stress di taglio è una forza applicata parallelamente alla superficie di un materiale. Nella meccanica dei fluidi, si verifica quando strati adiacenti di fluido si muovono a velocità diverse. Questo crea un effetto simile all'attrito tra gli strati.

L'entità dello stress di taglio dipende dalle proprietà del fluido e dal gradiente di velocità. Svolge un ruolo cruciale nel determinare il comportamento dei fluidi, specialmente nei fluidi newtoniani non ###.

Velocità di taglio

La velocità di taglio misura la velocità con cui gli strati adiacenti di fluido si muovono uno accanto all'altro. Rappresenta la velocità di variazione della velocità perpendicolare alla direzione del taglio.

Nel flusso del tubo, la velocità di taglio varia lungo il diametro del tubo. È più alto vicino alle pareti del tubo e più basso al centro. Questa variazione influisce sulle caratteristiche di flusso del fluido.

Viscosità

La viscosità quantifica la resistenza di un fluido allo scorrimento. Descrive l'attrito interno di un fluido in movimento. I fluidi a viscosità più elevata, come il miele, scorrono più lentamente rispetto ai fluidi a viscosità più bassa, come l'acqua.

La viscosità può essere classificata come dinamica o cinematica. La viscosità dinamica mette in relazione lo stress di taglio con la velocità di taglio. La viscosità cinematica è il rapporto tra la viscosità dinamica e la densità del fluido.

Insomma

I fluidi newtoniani e non newtoniani differiscono nel loro comportamento sotto stress. Comprendere queste proprietà è fondamentale in vari settori e nella vita di tutti i giorni.

Esplora ulteriormente per scoprire come questi fluidi influiscono sull'ambiente circostante. Condividi le tue nuove conoscenze con gli altri per suscitare curiosità sulla dinamica dei fluidi.