Prima di poter misurare la viscosità di un fluido, è necessario conoscere che cos’è la viscosità e a che tipo di comportamento presenta il fluido da misurare.
La viscosità di un fluido è una misura della sua resistenza alla deformazione a una data velocità; la viscosità è l’oggetto della scienza chiamata viscosimetria, che a sua volta fa parte della disciplina detta reologia.
La viscosità può essere immaginata come quantificazione della forza di attrito interna che si verifica tra strati adiacenti di un materiale, che devono essere messi in movimento relativo gli uni rispetto agli altri.
Se pensiamo a materiali comunemente definiti come solidi, è facile visualizzare che essi difficilmente si deformano; mentre materiali comunemente definiti come liquidi, sotto l’azione di una forza iniziale, tendono a deformarsi e a fluire.
Gli scienziati specificano che i liquidi sono viscosi mentre i solidi sono elastici; nella realtà quotidiana, la maggior parte dei materiali sono una via di mezzo, né completamente viscosi né completamente elastici, e vengono quindi definiti viscoelastici. Un esempio di solido viscoelastico è la gelatina, mentre un liquido viscoelastico può essere ad esempio un balsamo per capelli, o uno yogurt da bere.
La viscosimetria si occupa dei liquidi; liquidi viscosi che contengono una piccola componente elastica avranno una bassa viscosità, mentre liquidi viscosi ma con un’elevata componente elastica avranno viscosità più alta.
Nei liquidi, la viscosità viene spesso confusa con la densità, alla quale tuttavia è correlata; accade spesso un liquido ad alta viscosità abbia anche un’alta densità.
Per capire le formule matematiche che definiscono la viscosità, si immagini un fluido che viene forzato a scorrere attraverso un tubo: il fluido scorre più rapidamente vicino all’asse del tubo che vicino alle sue pareti.
Immaginando ora di considerare due strati di fluido; lo strato inferiore non si muove; lo strato superiore si sposta molto lentamente e sottopone il fluido a una sollecitazione parallela alla sua superficie: la sollecitazione di taglio (shear stress, tau τ). La forza applicata alla piastra superiore (in newton) divisa per l’area di questa piastra (in metri quadrati) definisce lo sforzo di taglio (shear rate, γ). Forza/area risulta nell’unità N/m², che è chiamata pascal [Pa] (dal nome dello scienziato Blaise Pascal).
La viscosità dinamica (η, eta) di un fluido è definita come il rapporto dello shear stress diviso per lo shear rate:
η = τ/ γ
La viscosità dinamica (detta anche viscosità assoluta o viscosità semplice) si esprime in Pa*s o in Poise, dal nome dello scienziato Poiseulle:
1 cP = 1 mPa*s
Esiste anche un secondo tipo di viscosità, detta viscosità cinematica (ν, nu o ni), che non è altro che la viscosità dinamica del fluido divisa per la densità del fluido (ρ, rho):
ν = η / ρ
La viscosità cinematica si misura in Stokes (St)
La formula della viscosità dinamica vista in precedenza può essere riscritta come segue:
η = τ/ γ = F/A / δv/δL
Da cui riarrangiando si ottiene:
F/A = η × δv/δL
Ricordando che F = m × a, la formula soprascritta assomiglia alla seconda di Newton: F = m × a
F/A = η × δv/δL ⇔ F = m × dv/dt
I fluidi nei quali la viscosità resta costante al variare della velocità si definiscono fluidi ideali o Newtoniani.
Propriamente, la misura della viscosità andrebbe eseguita solo su questo tipo di fluidi; nella realtà purtroppo la maggior parte dei fluidi è non-Newtoniana, e, a seconda del loro comportamento , si definiscono:
- pseudoplastici: la viscosità diminuisce al crescere del gradiente di velocità (es. polimeri)
- plastici: presentano una soglia di scorrimento che è lo sforzo necessario per mettere in moto il campione (es. soluzioni colloidali)
- Bingham: Inizia a scorrere solo dopo che la forza ha superato un certo valore limite di scorrimento o “yeld stress”. Superato tale valore la curva reologica può seguire quella dei fluidi newtoniani, o dilatanti o pseodoplastici.
- Dilatante: la viscosità aumenta con l’aumentare del gradiente di velocità:
Una particolare attenzione va dedicata ai fluidi Tixotropici: la reologia di questi fluidi si modifica quando essi vengono perturbati, ma tende e ripristinarsi nel tempo, se i fluidi vengono lasciati a riposo.
Appartengono a questa categoria moltissimi fluidi, come ad esempio yogurt, miele, creme spalmabili o cosmetiche, adesivi etc; la viscosità di questi fluidi viene solitamente misurata utilizzando un viscosimetro rotazionale, equipaggiato con il kit Heldal.
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