Un fluido è una sostanza che si deforma continuamente sotto l’azione di una forza di taglio, indipendentemente dall’entità di tale forza. I fluidi comprendono sia i liquidi che i gas e sono caratterizzati dalla capacità di scorrere e di adattarsi alla forma del contenitore che li contiene. A differenza dei solidi, i fluidi non possiedono una forma propria ma, nel caso dei liquidi, hanno un volume definito, mentre i gas tendono ad occupare tutto il volume disponibile.
Le proprietà fondamentali dei fluidi includono:
- Viscosità: misura della resistenza interna allo scorrimento; determina quanto facilmente il fluido fluisce.
- Densità: massa per unità di volume; influisce sulla galleggiabilità e sul comportamento dinamico.
- Pressione: forza esercitata per unità di area; varia con la profondità in un fluido statico.
- Temperatura: influisce sulla viscosità e sulla densità; i fluidi spesso espandono o contraggono con variazioni termiche.
I fluidi sono soggetti alle leggi della meccanica dei fluidi, che comprende sia l’idrostatica (studio dei fluidi in quiete) che l’idrodinamica (studio dei fluidi in movimento). Queste discipline sono fondamentali in vari campi come l’ingegneria, la meteorologia, l’oceanografia e l’aeronautica.
Etimologia: Il termine “fluido” deriva dal latino fluidus, che significa “che fluisce” o “scorrevole”. Questo a sua volta proviene dal verbo latino fluere, che significa “scorrere”. L’etimologia riflette la caratteristica essenziale dei fluidi di non avere una forma fissa e di adattarsi al contenitore, scorrendo sotto l’influenza di forze esterne.
Tipologie di fluidi
Le tipologie di fluidi possono essere classificate in base alle loro proprietà fisiche e reologiche come segue:
- Fluido Ideale (o Perfetto):
- Definizione: Un fluido ipotetico che è incompressibile e privo di viscosità.
- Proprietà: Non oppone resistenza allo scorrimento e non perde energia per attrito interno.
- Applicazioni: Utilizzato come modello teorico per semplificare l’analisi dei flussi.
- Fluido Reale:
- Definizione: Un fluido che possiede viscosità e può essere comprimibile.
- Proprietà: Tutti i fluidi reali oppongono resistenza allo scorrimento e possono variare in densità.
- Fluidi Newtoniani:
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- Proprietà: Viscosità costante indipendentemente dal tasso di deformazione.
- Esempi: Acqua, aria, olio minerale.
- Fluidi Non Newtoniani:
- Definizione: Fluidi in cui la relazione tra tensione di taglio e gradiente di velocità non è lineare.
- Tipologie:
- Pseudoplastici (Fluidi Diluenti):
- Proprietà: Viscosità diminuisce all’aumentare del tasso di deformazione.
- Esempi: Vernici, sangue, yogurt.
- Dilatanti (Fluidi Ispessenti):
- Proprietà: Viscosità aumenta all’aumentare del tasso di deformazione.
- Esempi: Sospensioni di amido in acqua, alcune soluzioni di sabbia.
- Plastici di Bingham:
- Proprietà: Richiedono una tensione di snervamento per iniziare a fluire.
- Esempi: Dentifricio, burro di arachidi.
- Fluidi Tixotropici:
- Proprietà: Viscosità diminuisce nel tempo sotto tensione di taglio costante.
- Esempi: Alcune vernici, gel.
- Fluidi Reopeptici:
- Proprietà: Viscosità aumenta nel tempo sotto tensione di taglio costante.
- Esempi: Alcuni tipi di argille.
- Pseudoplastici (Fluidi Diluenti):
- Fluidi Comprimibili e Incomprimibili:
- Fluidi Incomprimibili:
- Proprietà: Densità rimane costante nonostante variazioni di pressione.
- Esempi: Liquidi in condizioni normali.
- Fluidi Comprimibili:
- Proprietà: Densità varia con la pressione e la temperatura.
- Esempi: Gas, vapori.
- Fluidi Incomprimibili:
- Fluidi Viscosi e Non Viscosi:
- Fluidi Viscosi:
- Proprietà: Possiedono viscosità e oppongono resistenza allo scorrimento.
- Esempi: Oli, miele.
- Fluidi Non Viscosi (Inviscidi):
- Proprietà: Idealmente privi di viscosità; corrispondono al fluido ideale.
- Fluidi Viscosi:
- Fluidi Omogenei ed Eterogenei:
- Fluidi Omogenei:
- Proprietà: Composizione e proprietà uniformi in tutto il volume.
- Esempi: Soluzioni saline, aria pura.
- Fluidi Eterogenei:
- Proprietà: Composizione non uniforme; possono contenere particelle sospese.
- Esempi: Emulsioni, sospensioni.
- Fluidi Omogenei:
- Fluidi Isotropi e Anisotropi:
- Fluidi Isotropi:
- Proprietà: Proprietà fisiche identiche in tutte le direzioni.
- Fluidi Anisotropi:
- Proprietà: Proprietà che variano in base alla direzione considerata.
- Fluidi Isotropi:
- Fluidi Superfluidi:
- Definizione: Stati della materia a temperature estremamente basse con viscosità zero.
- Proprietà: Capacità di fluire senza attrito e di salire spontaneamente lungo le pareti dei contenitori.
- Esempi: Elio liquido sotto la temperatura lambda.
- Fluidi Magnetoreologici ed Elettroreologici:
- Fluidi Magnetoreologici:
- Proprietà: Viscosità varia in presenza di un campo magnetico.
- Applicazioni: Frizioni e sospensioni controllate magneticamente.
- Fluidi Elettroreologici:
- Proprietà: Viscosità varia in presenza di un campo elettrico.
- Applicazioni: Ammortizzatori, sistemi di controllo delle vibrazioni.
- Fluidi Magnetoreologici:
- Fluidi Viscoelastici:
- Definizione: Fluidi che mostrano sia comportamento viscoso che elastico.
- Proprietà: Presentano deformazione sia immediata che ritardata sotto stress.
- Esempi: Polimeri fusi, soluzioni di gomma.
- Fluidi con Memoria (o Non Locali):
- Proprietà: Il comportamento dipende dalla storia delle deformazioni subite.
- Applicazioni: Modellazione di materiali complessi come alcuni polimeri.
- Fluidi Monofasici e Bifasici:
- Fluidi Monofasici:
- Proprietà: Composti da una sola fase uniforme (solida, liquida o gassosa).
- Fluidi Bifasici:
- Proprietà: Contengono due fasi distinte, come liquido-gas o solido-liquido.
- Esempi: Schiume, emulsioni, sospensioni solide.
- Fluidi Monofasici:
- Fluidi Compressibili ad Alta Velocità:
- Proprietà: Effetti della compressibilità diventano significativi a velocità elevate (numero di Mach > 0.3).
- Applicazioni: Aerodinamica supersonica, flussi in ugelli.
- Fluidi Plastici Ideali:
- Proprietà: Si deformano solo oltre una certa soglia di stress senza ulteriori incrementi di stress.
- Esempi: Alcuni metalli sotto condizioni specifiche.