Table of Contents
La viscosità rappresenta una delle proprietà più significative dei fluidi, sia liquidi che gassosi, e descrive la loro resistenza interna allo scorrimento. Questa caratteristica fisica fondamentale influenza innumerevoli processi naturali e applicazioni tecnologiche, dalla circolazione sanguigna alla lubrificazione dei motori.
Etimologia e storia del termine
Il termine “viscosità” deriva dal latino “viscum” o “viscus”, che originariamente si riferiva al vischio (Viscum album), una pianta parassita dalle cui bacche si ricavava una sostanza collosa utilizzata come adesivo naturale. L’aggettivo latino “viscosus”, da cui deriva direttamente il nostro termine moderno, significava letteralmente “appiccicoso” o “vischioso”. Questa radice etimologica si è diffusa in numerose lingue indoeuropee: in francese troviamo “viscosité”, in inglese “viscosity”, in tedesco “Viskosität”, tutte accomunate dalla stessa origine latina.
L’evoluzione semantica del termine è particolarmente interessante: dal significato originario legato alla sostanza vegetale, il concetto si è gradualmente esteso per analogia a descrivere qualsiasi fluido caratterizzato da resistenza allo scorrimento. Nel linguaggio scientifico medievale e rinascimentale, il termine “viscositas” veniva utilizzato negli studi alchemici per descrivere la consistenza di vari preparati e sostanze. La sistematizzazione moderna del concetto di viscosità come grandezza fisica misurabile si deve principalmente agli studi di Isaac Newton nel XVII secolo, che per primo ne fornì una descrizione matematica rigorosa nel suo “Principia Mathematica.
La struttura etimologica della parola ha influenzato anche la formazione di numerosi termini tecnici correlati nel linguaggio scientifico moderno, come “viscosimetro” (strumento per la misurazione della viscosità) e “viscoelastico” (che combina proprietà viscose ed elastiche). Questo dimostra come l’originaria osservazione empirica di una sostanza naturale abbia portato allo sviluppo di un intero campo di studio nella fisica dei fluidi.
Definizione fisica e matematica
Dal punto di vista fisico, la viscosità si manifesta come l’attrito interno tra le molecole di un fluido in movimento. Quando un fluido scorre, si generano forze di taglio tra gli strati adiacenti che si muovono a velocità differenti. La legge di Newton della viscosità esprime matematicamente questo concetto attraverso la seguente equazione:
$\tau = \mu \dfrac{dv}{dy}$
dove:
- $\tau$ rappresenta lo sforzo di taglio
- $\mu$ è il coefficiente di viscosità dinamica
- $\dfrac{dv}{dy}$ è il gradiente di velocità perpendicolare alla direzione del flusso
Tipologie di viscosità
Si distinguono principalmente due tipi di viscosità:
La viscosità dinamica (o assoluta), misurata in Pascal·secondo (Pa·s) nel Sistema Internazionale, rappresenta la resistenza tangenziale offerta dal fluido al moto relativo di due superfici parallele. In termini pratici, essa quantifica la forza necessaria per far scorrere un fluido.
La viscosità cinematica, definita come il rapporto tra la viscosità dinamica e la densità del fluido:
$\nu = \dfrac{\mu}{\rho}$
dove:
- $\nu$ è la viscosità cinematica (m2/s)
- $\mu$ è la viscosità dinamica (Pa·s)
- $\rho$ è la densità del fluido (kg/m3)
Comportamento in funzione della temperatura
La temperatura esercita un’influenza significativa sulla viscosità dei fluidi. Per i liquidi, la viscosità diminuisce all’aumentare della temperatura, seguendo approssimativamente la legge di Arrhenius:
$\mu = \mu_0 e^{\dfrac{E_a}{RT}}$
dove:
- $\mu_0$ è una costante caratteristica del fluido
- $E_a$ è l’energia di attivazione
- $R$ è la costante universale dei gas
- $T$ è la temperatura assoluta
Nei gas, invece, la viscosità aumenta con la temperatura, poiché l’incremento dell’agitazione molecolare determina un maggior trasferimento di quantità di moto tra gli strati del fluido.
Fluidi newtoniani e non newtoniani
Un aspetto fondamentale nella caratterizzazione della viscosità riguarda la distinzione tra fluidi newtoniani e non newtoniani:
I fluidi newtoniani (come acqua, aria e molti oli) mostrano una relazione lineare tra sforzo di taglio e velocità di deformazione, mantenendo una viscosità costante a temperatura e pressione fisse.
I fluidi non newtoniani presentano comportamenti più complessi, dove la viscosità può variare in funzione dello sforzo applicato o del tempo. Esempi includono:
- Fluidi pseudoplastici (shear-thinning): la viscosità diminuisce all’aumentare dello sforzo
- Fluidi dilatanti (shear-thickening): la viscosità aumenta all’aumentare dello sforzo
- Fluidi tissotropici: la viscosità varia nel tempo a sforzo costante
- Fluidi viscoelastici: combinano proprietà viscose ed elastiche
Applicazioni pratiche e importanza tecnologica
La comprensione e il controllo della viscosità risultano cruciali in numerosi settori:
Nell’industria petrolifera e dei lubrificanti, dove la viscosità determina le prestazioni dei prodotti e la loro efficacia nella protezione dei componenti meccanici.
Nel settore alimentare, dove influenza la consistenza e la percezione organolettica dei prodotti, nonché i processi di lavorazione.
In ambito biomedico, dove la viscosità del sangue e di altri fluidi biologici gioca un ruolo fondamentale nella diagnosi e nel trattamento di diverse patologie.
Metodi di misurazione
La viscosità può essere misurata attraverso diversi strumenti e metodologie:
- Viscosimetro a capillare: basato sulla legge di Poiseuille, misura il tempo di efflusso di un volume noto di fluido
- Viscosimetro rotazionale: determina la viscosità attraverso la misura della coppia necessaria a mantenere in rotazione un elemento immerso nel fluido
- Viscosimetro a caduta di sfera: utilizza la legge di Stokes per calcolare la viscosità dal tempo di caduta di una sfera nel fluido