Tipi di fluidi: classificazione

I fluidi sono sostanze che si deformano in modo continuo sotto l’azione di una forza di taglio. A differenza dei solidi, che mantengono una forma definita, i fluidi sono caratterizzati dalla loro capacità di fluire, adattandosi alla forma del contenitore che li ospita. I fluidi svolgono un ruolo fondamentale in numerosi fenomeni naturali e applicazioni industriali, come il flusso dell’acqua nei fiumi, la circolazione sanguigna, la combustione nei motori e la dinamica dell’atmosfera.

La classificazione dei fluidi dipende da vari fattori, tra cui il comportamento in risposta a forze, la viscosità, la comprimibilità e la dipendenza dalla velocità di deformazione. Esistono diversi tipi di fluidi che presentano caratteristiche fisiche e dinamiche distintive. I principali tipi sono i fluidi Ideali, reali, newtoniani, non newtoniani, plastici ideali, incomprimibili e comprimibili

Questa classificazione aiuta a comprendere meglio il comportamento dei fluidi in diversi contesti e fornisce le basi per applicazioni in ingegneria, chimica, biologia e fisica. Ogni tipo di fluido presenta proprietà che influenzano le modalità di interazione con altri materiali, determinando il suo uso in vari settori, dall’industria automobilistica alla medicina, dall’ingegneria aerospaziale alla meteorologia.

Fluidi ideali

Il concetto di fluido ideale nasce come astrazione teorica utile a semplificare l’analisi dei fenomeni della dinamica dei fluidi. Un fluido ideale è definito come un mezzo continuo privo di viscosità, incomprimibile e privo di turbolenze. In questo modello, il fluido scorre senza attrito interno, quindi non dissipa energia per effetto della viscosità, e la sua densità rimane costante, indipendentemente dalle variazioni di pressione o temperatura.

L’assenza di viscosità implica che le forze interne che si oppongono allo scorrimento tra strati adiacenti del fluido sono nulle. Questo permette di trascurare i termini viscosi nelle equazioni del moto, semplificando l’analisi matematica. In particolare, l’equazione di Eulero, una forma semplificata delle equazioni di Navier-Stokes, descrive il moto dei fluidi ideali. Inoltre, l’incomprimibilità consente di assumere la conservazione del volume in ogni porzione del fluido, caratteristica che si traduce in un’equazione di continuità più semplice.

I fluidi ideali non esistono in natura, ma rappresentano un punto di partenza fondamentale per lo studio della dinamica dei fluidi. Permettono di ottenere soluzioni analitiche eleganti e utili a comprendere i principi di base, come nel caso della Legge di Bernoulli, che si applica perfettamente a flussi ideali stazionari lungo una linea di corrente.

Sebbene i fluidi reali, come l’acqua o l’aria, presentino sempre una certa viscosità e, in molti casi, compressibilità, in condizioni particolari (ad esempio, flussi ad alta velocità e bassa viscosità) il loro comportamento può essere approssimato a quello di un fluido ideale. Questa idealizzazione trova ampio impiego nella progettazione aerodinamica, nella meccanica dei fluidi teorica e nella modellazione dei flussi potenziali.

Fluidi reali

A differenza dei fluidi ideali, quelli reali rappresentano le sostanze che incontriamo nella realtà quotidiana e nei sistemi fisici e ingegneristici. Sono caratterizzati da proprietà fisiche tangibili, come viscosità, tensione superficiale, attrito interno, comprimibilità e conduzione termica. Questi fattori influenzano in modo significativo il loro comportamento dinamico, rendendo l’analisi più complessa ma anche più fedele ai fenomeni naturali.

La viscosità è una proprietà fondamentale dei fluidi reali: essa misura la resistenza interna al flusso dovuta all’attrito tra strati adiacenti del fluido. Nei fluidi ad alta viscosità, come il miele o l’olio del motore, il flusso è lento e regolare, mentre nei fluidi a bassa viscosità, come l’aria o l’acqua, lo scorrimento è più rapido e turbolento. A seconda del regime di moto, che può essere laminare o turbolento, i fenomeni viscosi possono essere trascurabili oppure dominanti.

Un’altra caratteristica distintiva è la comprimibilità, ovvero la variazione della densità in risposta a cambiamenti di pressione e temperatura. Nei liquidi, tale variazione è generalmente trascurabile, ma nei gas, soprattutto a velocità elevate, la comprimibilità diventa cruciale, come avviene nella dinamica dei flussi supersonici.

L’analisi dei fluidi reali richiede l’uso delle equazioni di Navier-Stokes, che descrivono il bilancio della quantità di moto considerando gli effetti viscosi. Tuttavia, queste equazioni sono altamente non lineari e difficili da risolvere in forma analitica, motivo per cui si ricorre spesso alla simulazione numerica e ai metodi computazionali (CFD).

Nonostante la complessità dei fluidi reali, in molti casi è possibile introdurre modelli semplificati, validi entro certi limiti di approssimazione, che permettono di descrivere efficacemente il loro comportamento in applicazioni pratiche, come nella progettazione di condotte idrauliche, nello studio dell’aerodinamica degli aerei o nella modellazione dei flussi sanguigni.

Fluidi Newtoniani

I fluidi newtoniani rappresentano una categoria fondamentale nella meccanica dei fluidi, caratterizzati da un comportamento lineare e prevedibile sotto l’azione di forze esterne. Prendono il nome dal fisico inglese Isaac Newton, che nel XVII secolo formulò una legge empirica per descrivere la relazione tra la forza applicata a un fluido e la sua velocità di deformazione.

I fluidi newtoniani sono caratterizzati da un comportamento particolarmente semplice e lineare: la resistenza che essi oppongono al flusso, nota come viscosità, rimane costante indipendentemente dal tipo di sollecitazione cui sono sottoposti che li rende estremamente utili come modello teorico e punto di riferimento per confrontare i comportamenti di fluidi più complessi

Pertanto si possono definire newtoniani quei fluidi per i quali la loro viscosità resta costante indipendentemente dal tasso di deformazione. Questo comportamento ideale è molto utile sia dal punto di vista teorico che applicativo. Infatti, sebbene in natura e nell’industria esistano numerosi materiali complessi che si discostano da questa descrizione, i fluidi newtoniani forniscono un modello di riferimento di estrema importanza.

I fluidi newtoniani sono descritti dalla legge di viscosità di Newton, secondo la quale lo sforzo di taglio τ è direttamente proporzionale al gradiente di velocità chiamato anche velocità di taglio du/dy nella direzione perpendicolare alla direzione del flusso:

τ =μ du/dy

In questa equazione, μ rappresenta la viscosità dinamica, costante per i fluidi newtoniani. Tale relazione indica che la resistenza al moto all’interno del fluido è proporzionale alla velocità relativa tra le sue particelle. Questa linearità consente di modellare il comportamento del fluido in modo analitico e computazionale con alta precisione.

Fluidi non newtoniani

A differenza dei fluidi newtoniani in cui esiste una relazione lineare tra lo sforzo di taglio applicato e la velocità con cui il fluido si deforma, i fluidi non newtoniani si comportano in modo assai più complesso. In questi materiali, la viscosità– cioè la resistenza del fluido allo scorrimento – non è costante, ma dipende dal modo in cui il fluido viene sollecitato.

Una prima grande distinzione si basa sul modo in cui la viscosità cambia al variare della velocità di taglio:

Fluidi pseudoplastici

Sono forse i più comuni nella vita quotidiana. In questi materiali, la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di deformazione. Più si agita il fluido, più esso si assottiglia e scorre con maggiore facilità. È il caso di molte emulsioni, del sangue, delle vernici e dei gel cosmetici. Questo comportamento è noto anche come shear-thinning, ed è particolarmente utile per facilitare il pompaggio o la stesura del materiale.

Fluidi dilatanti

Si comportano in maniera opposta. All’aumentare della velocità di deformazione, diventano più viscosi, talvolta fino a comportarsi come un solido. Una classica sospensione dilatante è quella di amido di mais in acqua (nota anche come “Oobleck”), che può apparire liquida a riposo, ma diventa solida se colpita bruscamente. Questo comportamento, detto shear-thickening, è sfruttato per applicazioni di tipo protettivo, ad esempio in tessuti antitrauma.

Un altro criterio fondamentale distingue i fluidi in base alla dipendenza dal tempo:

Fluidi tissotropici

Sono fluidi la cui viscosità diminuisce con il tempo se sottoposti a uno sforzo costante. Un esempio tipico è costituito da certi gel industriali o prodotti cosmetici, che diventano progressivamente più fluidi mentre vengono manipolati o agitati.

Fluidi reopexici

Molto più rari, mostrano un aumento della viscosità nel tempo quando sottoposti a un flusso costante. Si osservano in alcuni sistemi colloidali o sospensioni concentrate.

Infine, esistono fluidi a soglia di snervamento, come i fluidi plastici di Bingham, che si comportano come solidi finché non viene superata una certa soglia di sforzo: al di sotto di essa non scorrono affatto, mentre al di sopra iniziano a fluire. Il dentifricio è un esempio eloquente: non esce dal tubetto finché non viene esercitata una pressione sufficiente.

Questa classificazione non è rigida né esaustiva, ma offre un primo schema per comprendere come e perché certi materiali sfidano le leggi della meccanica classica, costringendoci ad adottare modelli più sofisticati e realistici.

Fluido plastico ideale

Il fluido plastico ideale è un modello reologico che descrive materiali che si comportano come solidi finché non vengono sollecitati oltre una certa soglia, detta limite di snervamento. Solo quando la sollecitazione supera questo valore critico, il materiale comincia a fluire come un fluido viscoso. Questo comportamento si differenzia da quello dei fluidi newtoniani, che rispondono anche a sollecitazioni infinitesime con una deformazione continua.

Il modello teorico più noto per descrivere un fluido plastico ideale è il modello di Bingham, che stabilisce la seguente relazione tra lo sforzo di taglio τ e la velocità di deformazione γ. Si verifica che:
γ = 0 se  IτI < τ₀

Se IτI ≥ τ₀ si verifica che τ= τ₀​ +μγ

In sostanza, finché lo sforzo di taglio è inferiore al limite τ₀​ il materiale si comporta come un solido rigido e non fluisce. Solo quando lo sforzo applicato eccede questo valore, il materiale inizia a deformarsi con un comportamento viscoso lineare.

Esempi

Esempi pratici che si avvicinano al comportamento del fluido plastico ideale includono materiali comuni come dentifrici, maionese, argilla bagnata, cioccolato fuso e alcune sospensioni dense. Questi materiali richiedono una forza iniziale per essere messi in movimento, ma una volta avviato il flusso si comportano come fluidi.

Il modello di Bingham è largamente impiegato in reologia applicata, ad esempio nella progettazione di impianti industriali per la lavorazione di fanghi, creme, vernici o alimenti pastosi. Inoltre, ha applicazioni in ambito geofisico (frane, lava, sedimenti) e biomeccanico, dove è utile per modellare fluidi complessi come il sangue in condizioni anomale.

Esempi pratici di materiali che si avvicinano al comportamento del fluido plastico ideale includono oltre alla maionese, il dentifricio, l’argilla anche alcune sospensioni dense, come quelle impiegate nell’industria mineraria o alimentare. Questi materiali richiedono una forza iniziale per essere messi in movimento, dopo di che scorrono come fluidi viscosi.

Il concetto di fluido plastico ideale è particolarmente utile in reologia, la scienza che studia la deformazione e il flusso dei materiali, ed è impiegato nella progettazione di processi industriali in cui è necessario dosare o trasportare materiali che non fluiscono spontaneamente. Inoltre, aiuta a interpretare il comportamento di materiali complessi in ambito biologico, geologico e tecnologico, dove la distinzione netta tra stato solido e fluido non è sempre applicabile.

Fluidi incomprimibili

I fluidi incomprimibili sono definiti come un fluido, liquido o gassoso, la cui densità rimane costante in tutto il loro volume e durante l’intero moto. La distinzione tra fluidi incomprimibili e

comprimibili nella fluidodinamica  è, in linea di principio, semplice: mentre i fluidi comprimibili possono variare la propria densità durante il flusso, quelli incomprimibili mantengono tale grandezza invariata.

In termini di meccanica dei materiali, ciò significa che le forze di taglio dovute alla viscosità o a forze esterne non inducono variazioni di densità nel fluido. Questa caratteristica fondamentale consente una significativa semplificazione delle equazioni della fluidodinamica: nel caso dei fluidi incomprimibili, le equazioni di Navier-Stokes assumono infatti una forma ridotta.

In particolare, il flusso incomprimibile si basa su due approssimazioni delle equazioni generali: quella della conservazione della massa (equazione di continuità) e quella della quantità di moto. Poiché la densità è costante nello spazio e nel tempo, tutte le derivate parziali della densità sono nulle, e questo riduce la complessità matematica senza compromettere la descrizione di molti fenomeni fisici di rilievo

Fluidi comprimibili

I fluidi comprimibili sono quelli in cui la densità può variare in modo significativo in risposta a cambiamenti di pressione o temperatura. Questo comportamento si manifesta tipicamente nei gas, per i quali le variazioni di volume e densità sono rilevanti anche a pressioni moderate. In contrasto, nei liquidi le variazioni di densità sono di norma trascurabili, per cui essi vengono spesso trattati come incomprimibili nei modelli semplificati.

Un esempio classico di fluido comprimibile è l’aria in condizioni di alta velocità, come nel caso dei flussi supersonici o ipersonici. In questi contesti, non solo la densità varia sensibilmente, ma entrano in gioco anche fenomeni complessi come onde d’urto, espansioni isentropiche e riscaldamento per compressione. Per descrivere questi fenomeni, è spesso necessario considerare anche relazioni termodinamiche tra pressione, densità e temperatura, come l’equazione di stato dei gas perfetti: pV = nRT

La compressibilità dei fluidi diventa particolarmente rilevante anche in applicazioni come la propulsione aerospaziale, la termoacustica, i tubi a onde di pressione, e nella modellazione dei suoni, dove la propagazione di piccole perturbazioni avviene attraverso la compressione e la rarefazione del mezzo.

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