Viscozitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Comparație între comportamentul a două substanțe cu vâscozități diferite (mai sus: substanță cu vâscozitate mai mică; mai jos: substanță cu vâscozitate mai mare).

În contextul fenomenelor de transport , vâscozitatea este o mărime fizică care măsoară rezistența unui fluid la curgere. Cu alte cuvinte, este coeficientul de schimb de impuls . [1] Din punct de vedere microscopic, vâscozitatea este legată de fricțiunea dintre moleculele fluidului. Când fluidul este făcut să curgă în interiorul unei țevi, particulele care alcătuiesc fluidul se mișcă în general mai repede de-a lungul axei conductei și mai încet în apropierea pereților acesteia; din acest motiv, este necesar un efort , care se traduce printr-o diferență de presiune , pentru a contracara fricțiunea dintre straturile de particule și pentru a pune fluidul în mișcare. Efortul perceput de fluid este proporțional cu vâscozitatea acestuia.

Viscozitatea este de obicei indicată cu litera greacă μ (mu sau mi) sau mai rar cu litera η (eta) pentru a aminti legătura cu coeficientul de frecare al mecanicii clasice . Este adesea numită vâscozitate dinamică pentru a o deosebi de vâscozitatea cinematică , care este o cantitate similară cu vâscozitatea dinamică, dar dimensional diferită. Fluiditatea este, de asemenea, definită ca mărimea reciprocă a vâscozității. [2] [3]

Se spune că un fluid care nu are vâscozitate este ideal. În realitate există fluide fără vâscozitate la temperaturi scăzute , așa-numitele superfluide . În limbajul comun, deseori limita de demarcație între lichide este stabilită de apă, astfel încât fluidele cu o vâscozitate mai mică decât apa sunt identificate ca nevâscoase. De asemenea, fluidele cu vâscozitate foarte mare, cum ar fi pitch , nu par foarte diferite de un solid.

Etimologie

Cuvântul vâscozitate provine din latinescul viscum (vâsc) : o plantă stufoasă. În vremurile străvechi, din sucul fructelor de vâsc erau preparate cu viscoză .

Descriere

Fluide newtoniene și non-newtoniene

Tensiunea de forfecare în funcție de debitul ( rata forței de forfecare ) pentru diverse fluide tipice: pseudoplastic ( plastic Bingham ), subțire ( Shear thinning ), newtonian, dilatant ( Shear ingrosare ). Vâscozitatea dinamică este panta, care este o constantă numai pentru fluidele newtoniene și pseudoplastice peste valoarea pragului.

Legea lui Stokes (vâscozitatea liniară) și în mod similar cu alte legi, cum ar fi legea lui Hooke , nu este o lege fundamentală a naturii, ci o lege care aproximează comportamentul doar al unor materiale.

Această lege definește un comportament vâscos ideal, caracterizat printr-o valoare a coeficientului de vâscozitate independent de tensiunea de forfecare τ și de gradientul de curgere: fluidele care respectă această lege se numesc fluide newtoniene . În realitate, pentru multe fluide coeficientul de vâscozitate μ este variabil cu τ . Un fluid caracterizat printr-un răspuns de gradient de curgere neliniar la stresul de forfecare se numește fluid non-newtonian . Gazele , apa și multe lichide obișnuite se află în condiții newtoniene normale. În ceea ce privește fluidele non-newtoniene , putem face următoarea clasificare, chiar dacă nu este completă:

  • pseudoplastice sau plastice Bingham : fluide care încep să se deformeze peste un anumit prag al solicitării la forfecare, peste valoarea pragului rata de deformare devine proporțională cu stresul de forfecare ca în fluidele newtoniene.
  • dilatantul este un material care își mărește vâscozitatea pe măsură ce crește tensiunea de forfecare, se mai numește și îngroșător de forfecare.
  • Subțierea este un material care își scade vâscozitatea pe măsură ce crește tensiunea de forfecare și se numește subțire atunci când este forfecată.
  • tixotropele sunt fluide care devin mai puțin vâscoase dacă sunt agitate sau, într-un fel, puse în mișcare.
  • Reopecticele sunt fluide care devin mai vâscoase dacă sunt agitate sau, într-un fel, puse în mișcare.

În fluidele newtoniene, vâscozitatea este o funcție a compoziției și temperaturii lor. În gaze și fluide compresibile , vâscozitatea este foarte dependentă de temperatură și slab de presiune.

Vâscozitatea unor fluide poate depinde de alți factori. Fluidele magnetoreologice , de exemplu, devin mai vâscoase atunci când sunt imersate într-un câmp magnetic până când se comportă ca un solid dacă câmpul este foarte intens.

Un fluid cu vâscozitate zero ( μ = 0) cu densitate constantă pe măsură ce presiunea variază, prin urmare nevâscos și incompresibil, se numește fluid ideal . Un fluid a cărui vâscozitate este neglijabilă poate fi, de asemenea, definit ca inviscid . Când vâscozitatea este egală cu 0 vorbim de superfluiditate : această caracteristică este tipică de exemplu pentru doi izotopi de heliu : în 4 He sub 2,17 K, în timp ce pentru 3 He la o temperatură de 2,4 mK.

Explicație microscopică

Vâscozitatea unui fluid este determinată de mecanismul prin care moleculele care îl compun interacționează între ele. Nu există o expresie simplă a vâscozității unui fluid. Relațiile Green-Kubo sunt cele mai simple și mai exacte relații care permit determinarea coeficienților de transport, inclusiv a vâscozității, prin intermediul integralelor funcției de corelare a timpului [4] . Deși aceste soluții sunt corecte, pentru a calcula vâscozitatea fluidelor dense este necesar să se utilizeze tehnici de dinamică moleculară [5] . Trebuie adăugat că determinarea vâscozității gazelor rarefiate este o problemă relativ simplă. În acest caz, chiar făcând ipoteze simple bazate pe teoria cinetică a gazelor, este posibil să aveți o bună cunoaștere a originii moleculare a vâscozității. Un tratament mai sofisticat poate fi dezvoltat pe baza unei diviziuni spațiale adecvate pe teoria lui Chapman și Enskog, care folosește ecuația Boltzmann pentru moleculele de gaz.

Definiții

Vascozitate dinamica

Reprezentarea forțelor tangențiale care acționează asupra unui fluid dacă viteza variază liniar.
Reprezentarea vitezei fluidului care nu depinde liniar de distanța față de planul fix ( tensiunea de forfecare înseamnă tensiunea de forfecare )

Vâscozitatea dinamică a unui fluid este o măsură a rezistenței sale la curgere atunci când se aplică o forță tangențială. Cauza acestei rezistențe se datorează straturilor adiacente de fluid care se mișcă la viteze diferite. Definiția este dată în cazul regimului laminar . Situația ideală este de a avea un fluid omogen, așa cum se arată în figură, între două suprafețe plane orizontale egale, una fixă ​​și cealaltă mobilă. Dacă viteza planului în mișcare este mică și, în plus, particulele de fluid se deplasează într-o direcție paralelă cu planul în mișcare cu o viteză care variază liniar de la zero pe planul fix la u pe planul în mișcare, în acest caz vâscozitatea dinamică este pur și simplu dat de:

unde este:

  • F este forța aplicată planului în mișcare
  • d este distanța dintre cele două planuri
  • u este viteza constantă a podelei mobile
  • S este suprafața fiecărui etaj
  • este stresul de forfecare

În cazul mai general (ca în figura opusă) viteza fluidului nu este o funcție liniară a distanței față de planul fix, în acest caz relația dintre tensiunea de forfecare și vâscozitatea devine:

unde acum:

  • y este distanța față de planul fix al stratului generic de fluid
  • u (y) este viteza locală a fluidului

Fiecare strat se va deplasa mai repede decât stratul de bază. Fricțiunea dintre ele este forța care împiedică mișcarea relativă a celor două planuri. Prin urmare, fluidul va exercita o forță pe planul superior în direcția opusă mișcării sale și o forță egală și opusă pe planul inferior. Prin urmare, efortul tangențial este necesar tocmai pentru a garanta o viteză uniformă a etajului superior. Pentru a putea neglija efectele de margine, așa cum sa făcut implicit, dimensiunile celor două planuri trebuie să fie mult mai mari decât distanța lor.

Conform definiției sale matematice, vâscozitatea este exprimată dimensional printr-o forță pe o suprafață pentru un timp sau printr-o presiune pentru un timp și, în ceea ce privește cantitățile fundamentale, cu M L −1 T −1 (lungimea și timpul împărțite în masă ).

Adesea ecuația anterioară este inversată și scrisă:

Vâscozitatea cinematică sau difuzivitatea cinematică

Relația dintre vâscozitatea dinamică a unui fluid și densitatea acestuia se numește în acest fel, [6] :

Adesea numită și difuzivitate cinematică, este o măsură a rezistenței la curgere a unui curent fluid sub influența gravitației . Această tendință depinde atât de vâscozitatea dinamică, cât și de greutatea specifică a fluidului . Când două fluide de volum egal sunt plasate în viscozimetre capilare identice și lăsate să curgă prin gravitație, fluidul cu difuzivitate mai mare durează mai mult să curgă. De exemplu, mercurul are o vâscozitate dinamică de 1,7 ori mai mare decât cea a apei , dar datorită greutății sale specifice ridicate, percolează mult mai rapid din aceeași gaură cu același volum. De fapt, vâscozitatea cinematică a mercurului este de nouă ori mai mică decât cea a apei la temperatura camerei ( 20 ° C ). [7]

Vâscozitatea cinematică este un parametru util atunci când avem de-a face cu numărul Reynolds , util în studiul fluidului dinamic pentru a face distincția între regimul laminar și turbulent . Numărul Reynolds este dat în condiții dinamice de raportul dintre forțele de inerție și forțele vâscoase:

unde este este dimensiunea liniară tipică în sistem.

Vâscozitatea volumului

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Vâscozitatea volumului .

Atunci când un fluid comprimabil este fie comprimat, fie extins, fără solicitare de forfecare, acesta poate avea și în acest caz o formă de vâscozitate internă care reprezintă o rezistență la deformare. Aceste forțe sunt legate de rata de compresie sau expansiune; din acest motiv este introdus un parametru indicat în general cu litera care are dimensiunile vâscozității dinamice. Vâscozitatea volumului intervine în ecuațiile Navier-Stokes care descriu dinamica fluidelor. Vâscozitatea volumului este importantă numai atunci când fluidul este rapid comprimat sau expandat, cum este cazul undelor sonore sau de șoc . Vâscozitatea volumului explică pierderea de energie a acestui tip de undă așa cum este descris de legea Stokes a atenuării sunetului.

Măsurarea viscozității

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Viscometru .

Vâscozitatea se măsoară cu diferite tipuri de viscozimetre și reometre. Un reometru este utilizat pentru fluidele neomogene pentru care nu este posibil să se acorde o valoare simplă a vâscozității și, prin urmare, necesită măsurarea unui număr mai mare de parametri decât un viscozimetru. Deoarece vâscozitatea este foarte dependentă de temperatură, pentru a efectua o măsurare precisă, temperatura trebuie controlată cu precizie: în special pentru materiale precum lubrifianții, o variație a temperaturii de numai 5 ° C poate duce la dublarea vâscozității.

Pentru fluidele newtoniene , vâscozitatea este constantă pe o gamă largă de solicitări de forfecare și, prin urmare, vâscozitatea este descrisă printr-un singur număr. Dimpotrivă, pentru fluidele non-newtoniene vâscozitatea este o funcție a efortului tangențial aplicat și, în unele cazuri, poate depinde și de viteza cu care se aplică efortul.

Unul dintre cele mai comune instrumente pentru măsurarea vâscozității cinematice este vâscozimetrul capilar din sticlă.

Există, de asemenea, vâscozimetre care utilizează diferite caracteristici ale fluidelor pentru a măsura vâscozitatea. De exemplu, un viscozimetru cu cupă (utilizat pentru vopsele) constă dintr-un recipient gradat cu o gaură calibrată pe fund. Cu cât fluidul este mai vâscos, cu atât va dura mai mult să curgă prin gaură. Măsurând timpul de golire a cupei, este posibil (prin intermediul unor tabele corespunzătoare) să se verifice vâscozitatea fluidului [8] .

Un alt tip de viscozimetru se bazează pe măsurarea cuplului . În acest caz, fluidul este plasat între două plăci , plasate la o distanță reglabilă. Una dintre cele două plăci este menținută fixă ​​în timp ce cealaltă este rotită. În acest fel, în loc de forță, se măsoară momentul mecanic aplicat și viteza unghiulară a plăcii în mișcare.

Măsurarea vâscozității este considerată de experți foarte subiectivă, deoarece instrumentul de măsurare nu este în măsură să aplice corect definiția cantității (una pentru toate: utilizarea unei plăci, de exemplu din oțel, introduce un strat de fluid în vecinătatea acesta care nu se comportă ca un fluid liber și acest lucru afectează măsurarea).

În mod normal, de fapt, lângă fiecare măsurare a vâscozității, este necesar să se indice în ce condiții și cu ce instrument (inclusiv marca și modelul) a fost realizat.

Unitate de măsură

Vascozitate dinamica

Vâscozitatea dinamică este măsurată în sistemul internațional în poiseuille (simbolul Pl ) și în sistemul cgs în poiseu (simbolul P ) se dau conversiile:

  • 1 Pa s = 1 Pl
  • 1 P = 0,1 Pl
  • 1 cP = 1 mPl

Millipoiseuille (sau centipoise ) continuă totuși să fie utilizat pe scară largă, deoarece exprimă aproximativ viscozitatea dinamică a apei la temperatura camerei (1,001 mPl la 20 ° C).

Vâscozitatea cinematică

În sistemul internațional , vâscozitatea cinematică, având dimensiunile unei constante de difuzie, adică o lungime pătrată împărțită la un timp, se măsoară în m 2 / s.

În sistemul cgs unitatea de măsură (cm 2 / s) se numește stokes și este indicată cu simbolul St. Uneori se folosește un submultiplu de centistokes (cSt). Alte unități comune, dar învechite, de vâscozitate cinematică sunt Saybolt Universal Seconds (SUS), Saybolt Furol Seconds (SFS).

1 St = 1 cm 2 s −1 = 10 −4 m 2 s −1 .
1 cSt = 1 mm 2 s −1 = 10 −6 m 2 s −1 .

Apa la 20 ° C are o vâscozitate cinematică de aproximativ 10 −6 m 2 · s −1 sau 1 cSt.

Gaz

Vâscozitatea gazelor derivă în principal din difuziunea moleculară care duce impulsul între diferitele straturi curgătoare. Teoria cinetică a gazelor permite efectuarea unor previziuni precise asupra vâscozității gazelor dacă sunt îndeplinite următoarele condiții:

  • Vâscozitatea este independentă de presiune
  • Vâscozitatea crește odată cu creșterea temperaturii [9]

Vâscozitatea gazelor perfecte

Îi datorăm lui Maxwell în 1866 studiul legăturii dintre vâscozitate și teoria cinetică a gazelor [10] . Pentru a înțelege de ce vâscozitatea este independentă de presiune, luați în considerare două straturi adiacente (A și B) care se deplasează unul față de celălalt. Vâscozitatea gazului este determinată de probabilitatea ca o particulă din stratul A să intre în stratul B prin transferul impulsului. Calculul lui Maxwell arată că fricțiunea internă este proporțională cu densitatea și cu calea liberă medie , care este invers proporțională cu densitatea. În consecință, o creștere a densității datorată creșterii presiunii nu provoacă o modificare a vâscozității.

Demonstrație

Să luăm în considerare cazul moleculelor unui gaz ideal, între două planuri, unul fix și celălalt la o distanță d, care se mișcă cu o viteză constantă u. Particulele de gaz ale fiecărui strat au o viteză medie (mult mai mică decât viteza pătrată medie datorită agitației termice), cu y variind de la 0 și d. Viteza medie crește odată cu distanța față de planul fix, prin care particulele din strat se duc la strat transportă impulsul și determină o forță rezistentă în stratul superior și o forță motrice (egală și opusă în starea inferioară). Ești în gaz molecule pe unitate de volum. Calea liberă medie (distanța medie pe care o parcurg moleculele) într-un gaz ideal este:

este diametrul de coliziune care depinde de proprietățile microscopice ale gazului.

Componenta medie a impulsului transportată în stratul superior de stratul inferior (adică a ) este egal cu:

Termenul 1/2 depinde de faptul că jumătate din moleculele stratului inferior au viteze în sus și jumătate în jos. Mai mult, avem:

prin urmare, există un efort de frânare tangențial dat de:

În același timp, există o tragere tangențială datorită stratului superior:

Deci diferența dintre aceste două cantități este precisă :

Atâta timp cât este mic puteți face extinderea Taylor (neglijând termenii de ordin superior și omițând simbolul mediu peste ):

Dacă este comparat cu expresia (1) avem:

Prin înlocuirea a expresia lui:

În teoria cinetică a gazelor avem că:

asa de:

Cu alte cuvinte, în gazele perfecte, vâscozitatea depinde doar de temperatură: presiunea nu are niciun efect.

Vâscozitatea gazelor reale

În realitate în gazele reale, chiar dacă dependența de presiune este neglijabilă, dependența vâscozității de temperatură are o dependență de temperatură mai mare decât cea a ecuației (2) dată aproximativ de:

Pentru unele gaze, următorul tabel obținut din Manualul de chimie și fizică [11] oferă valorile Și :

Gaz Viscozitate
Dioxid de carbon 15 0,079 0,92
Argon 22.9 0,197 0,83
Aer 18.6 0,216 0,78
heliu 20 0,42 0,66
Etan 9.5 0,060 0,89
Krypton 25.6 0,157 0,89
Hidrogen 9 0,18 0,68
Metan 11.2 0,104 0,82
Neon 32.1 0,643 0,68
Oxigen 20.8 0.199 0,81

Lichide

Un videoclip care prezintă trei lichide cu vâscozități diferite.
Vâscozitatea apei în funcție de temperatură.

La lichide, spre deosebire de gaze, puterea legăturii dintre molecule nu este niciodată neglijabilă și acest lucru duce la o vâscozitate mai mare decât gazele. Vâscozitatea, cu excepția cazurilor de presiune ridicată, este destul de independentă de presiune. Pe de altă parte, pe măsură ce temperatura crește, vâscozitatea scade. În orice caz, vâscozitatea lichidelor este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cea a gazelor.

Tabelul de viscozitate al unor lichide:

Lichid Viscozitate (dacă nu este specificat)
Acetonă
Benzen
Ulei de ricin 0,985
Sirop de porumb 1.3806
Alcool etilic
Etilen glicol
Glicerină (la 20 ° C) 1.2
Mercur
Alcool metilic
Ulei de ungere SAE 10 (20 ° C) 0,065
Ulei lubrifiant SAE 40 (20 ° C) 0,319
Nitrobenzen
Azot lichid (−196 ° C 77 K) 0,158
Propanol
Ulei de masline 0,081
Pas
Acid sulfuric 0,024
Cascadă

Vâscozitatea uleiurilor de motor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Ulei lubrifiant , Clasificarea viscozimetrică a uleiurilor lubrifiante și CentiStokes .

Tabelul SAE J300 ( Society of Automotive Engineers ) clasifică uleiurile de motor pe baza vâscozității și fără a lua în considerare alte caracteristici ale lubrifiantului .

Primul număr din clasificare urmat de litera „W” ( iarna ) și numărul ulterior indică intervalul de temperatură externă pentru care acel tip de ulei menține o vâscozitate cinematică satisfăcătoare.

Un "monograd" este definit ca un ulei care garantează o singură performanță, rece sau caldă, indicată în tabel (de exemplu: SAE 10W, SAE 20W, SAE 30, SAE 50).

Un „multigrad” este definit ca un ulei care garantează performanțe atât la temperatură scăzută, cât și la temperatură ridicată (de exemplu: SAE 5W30, SAE 10W40, SAE 15W50).

Alegerea vâscozității unui lubrifiant trebuie făcută luând în considerare atât temperatura minimă de funcționare a motorului (temperatura de iarnă), cât și cea maximă (temperatura de vară): este esențial să alegeți un ulei care să rămână suficient de fluid la o temperatură scăzută asigură o pornire ușoară, dar care asigură în același timp o întreținere a vâscozității satisfăcătoare atunci când motorul este sub sarcină.

Alte caracteristici fundamentale ale lubrifiantului (cum ar fi rezistența mecanică, antispum sau rezistența la temperatură) sunt stabilite în schimb prin specificațiile internaționale ( API , ACEA , JASO ).

Numărul de viscozitate SAE -18 ° C, Pl 100 ° C, cSt BPT
min max min max ° C
5W - 1,25 3.8 - -30
10W 1,25 2.5 4.1 - -25
15W 2.5 5.0 4.1 - -20
20W 5.0 10.0 56 - -15
20 . . 5.6 9.3 .
30 . . 9.3 12.5 .
40 . . 12.5 16.3 .
50 . . 16.3 21.9 .

Vâscozitățile la -18 ° C sunt măsurate într-un viscozimetru de rotație ( simulator de pornire la rece ), cele la 100 ° C într-un viscozimetru capilar. Abrevierea W reprezintă iarna și definește seria de uleiuri de iarnă. BPT: temperatura limită de pompare.

Indicele de viscozitate

Acest indice exprimă constanța gradării vâscoase a unui ulei dat la diferite temperaturi, deci cu cât această valoare este mai mare, cu atât vâscozitatea va rămâne constantă pe măsură ce temperatura variază, în timp ce cu cât această valoare este mai mică, cu atât variația este mai mare [12] .

Solid

Aparat experimental pentru măsurarea vâscozității pasului [13] .

Se constată în mod obișnuit că solidele amorfe , cum ar fi sticla , au vâscozitate, bazându-se pe faptul că toate solidele curg imperceptibil ca răspuns la o solicitare de forfecare (în engleză shear stress). De fapt, sticla poate fi interpretată ca un fluid cu vâscozitate foarte mare (sticla nu are un punct de topire definit, deoarece nu posedă o structură cristalină - vezi și căldura de topire ).

Unii susțin că distincția dintre solide și lichide este neclară și că solidele sunt pur și simplu lichide cu o vâscozitate ridicată de obicei mai mare de 10 12 Pa s. Susținătorii acestei poziții o justifică adesea cu afirmația (răspândită, dar falsă) că sticla poate curge extrem de lent.

Un exemplu în acest sens îl reprezintă vitraliile decorative vechi ale bisericilor și ale altor clădiri istorice. Cu secole în urmă, prelucrarea sticlei era o activitate aproape în întregime manuală, deci nu este deloc surprinzător faptul că există nereguli în plăcile subțiri colorate destinate să alcătuiască ferestrele fine. În zilele noastre, restauratorii de artă au observat că bucățile de sticlă individuale care alcătuiesc fereastra, toate au la bază o expansiune. O parte subțire în partea de sus și o parte mai groasă în partea de jos. Pentru a explica acest lucru, de-a lungul timpului a apărut ipoteza că acest fenomen este cauzat de proprietățile sticlei care, având o vâscozitate nefinită, de-a lungul secolelor și grație gravitației , a „alunecat” ca un lichid și, prin urmare, s-a acumulat la bază , formând o ușoară umflătură. Această explicație, deși pare convingătoare și plauzibilă, nu are nicio bază pentru adevăr, deoarece știm că maeștrii sticlari obișnuiau să aranjeze în mod deliberat cioburile de sticlă imperfecte cu partea grea orientată în jos, pentru a oferi o mai mare stabilitate ferestrei fragile.

La falsità dell'ipotesi di partenza è stata mostrata anche dal fatto che antichi telescopi , ancora più vecchi delle vetrate stesse, generano ancora oggi immagini perfettamente a fuoco, nonostante le loro delicate ottiche ( lenti e specchi ) in purissimo vetro, siano estremamente sensibili a piccole variazioni nell'allineamento. È noto anche che la viscosità del piombo , materiale che incornicia i vetri, è svariati ordini di grandezza più piccola di quella del vetro, quindi anche se il vetro fosse “scivolato” verso il basso anche solo di un pochino, il piombo avrebbe dovuto “sciogliersi” e praticamente trasformarsi in una pozzanghera ai piedi della vetrata.

Anche se molti solidi fluiscono, quando sottoposti a sforzi elevati, essi sono caratterizzati dal loro comportamento a basso sforzo. La viscosità può essere un'appropriata caratteristica dei solidi in regime plastico .

Questo uso del termine viscosità può generare confusione quando usato in relazione a certi materiali solidi, come i materiali di Maxwell , per descrivere la relazione tra sforzo e velocità di variazione della tensione piuttosto che della velocità di taglio.

Queste distinzioni possono essere in gran parte risolte considerando le equazioni costitutive del materiale in questione, che tengono conto del suo comportamento viscoso ed elastico.

I materiali che sono importanti per la loro viscosità ed elasticità, entro un particolare intervallo di valori di deformazione e di rapidità di deformazione, sono chiamati viscoelastici .

I materiali che esibiscono una deformazione viscosa almeno tre volte maggiore della loro deformazione elastica sono chiamati a volte reidi. Un esempio di solido che fluisce, che è stato osservato dal 1927 , è la pece, usata ad esempio nell' esperimento della goccia di pece , cioè un esperimento che misura il percolo di un pezzo di pece negli anni. La pece fluisce a temperatura ambiente sebbene molto lentamente.

Viscosità del calcestruzzo

Calcestruzzo fresco. Esso ha viscosità intermedia tra quella di un solido e quella di un liquido.

Nell'ambito dell'ingegneria delle strutture si definisce con il termine scorrimento viscoso (in inglese creep e in francese fluage ) il fenomeno per cui in una struttura realizzata in calcestruzzo , libera di deformarsi e in condizioni di carico esterno di compressione costante, dopo le deformazioni istantanee elastiche, sviluppa deformazioni differite nel tempo.

Tale fenomeno fa sì che la variabile "tempo" appaia nelle equazioni costitutive del materiale ed è dovuto al fatto che il calcestruzzo dal punto di vista reologico presenta un comportamento viscoelastico , cioè intermedio tra il comportamento elastico (proprio dei solidi) e del comportamento viscoso (proprio dei liquidi).

Per bassi valori di carico applicato e considerando un tempo di osservazione abbastanza breve (durante il quale permangono tali tensioni), il comportamento reologico del calcestruzzo può definirsi elastico lineare.

Dato un parallelepipedo di calcestruzzo, applicando su di esso una forza di compressione esso entrerà in tensione , e subirà un accorciamento istantaneo che è da attribuirsi alla componente elastica della viscosità ( viscosità elongazionale , dall'inglese elongational viscosity ). Se poi viene lasciata invariata nel tempo la forza sull'oggetto, senza rimuoverla né variarla d'intensità, lo stato tensionale rimarrà invariato, e avendo comportamento viscoso si potrà vedere invece che continueranno a registrarsi accorciamenti, ossia l'oggetto continua a deformarsi. Tali deformazioni sono legate alla componente puramente viscosa della viscosità ( viscosità di taglio , dall'inglese shear viscosity ). Se dopo avere avuto anche le deformazioni viscose si rimuove il carico si osserva che le deformazioni elastiche non verranno recuperate totalmente, poi nel tempo si vedrà anche il recupero di una parte delle deformazioni viscose. Questo parziale recupero delle deformazioni è dovuto all'irrigidimento del materiale nel corso del tempo in cui è stato sottoposto a carico. Si osserva così un materiale più resistente, rispetto al parallelepipedo iniziale.

Fattori che influenzano il fenomeno

La viscosità nel calcestruzzo è dovuta a vari fattori, tra cui:

  • stato del conglomerato
    • caratteristiche meccaniche
    • livello di tensioni presenti
    • età del conglomerato all'atto della messa in carico
  • ambiente di maturazione :
  • geometria dell'elemento
    • superficie specifica a contatto con l'ambiente esterno. [14]

Deformazione viscosa

Le normative di riferimento fanno dipendere le deformazioni viscose dal coefficiente di viscosità Φ(t ,t o ) dipendente dai fattori di cui sopra.

L'Eurocodice 2 e il DM 14 gennaio 2008 se lo stato di tensione del calcestruzzo all'istante t o di messa in carico risulta < 45% f ck propongono la teoria lineare della viscosità per la quale la deformazione viscosa è data dalla seguente relazione lineare:

  • ε v = Φ(t ,t o ) ε e

dove:

  • t o = età del calcestruzzo all'applicazione del carico
  • ε e = deformazione istantanea elastica.

Note

  1. ^ Il termine "coefficiente di scambio di quantità di moto" fa riferimento all'analogia esistente nell'ambito dei fenomeni di trasporto tra quest'ultimo ei coefficienti di scambio termico e di scambio di materia .
  2. ^ Silvestroni , p. 201 .
  3. ^ ( EN ) IUPAC Gold Book, "fluidity"
  4. ^ Denis J. Evans e Gary P. Morriss, Transient-time-correlation functions and the rheology of fluids , in Physical Review A , vol. 38, 1988, pp. 4142–4148, Bibcode : 1988PhRvA..38.4142E , DOI : 10.1103/PhysRevA.38.4142 , PMID 9900865 .
  5. ^ Denis J. Evans e Gary P. Morriss, Transient-time-correlation functions and the rheology of fluids , in Physical Review A , vol. 38, 1988, pp. 4142–4148, Bibcode : 1988PhRvA..38.4142E , DOI : 10.1103/PhysRevA.38.4142 , PMID 9900865 .
  6. ^ ( EN ) IUPAC Gold Book, "kinematic viscosity"
  7. ^ Tabella viscosità cinematica di alcuni fluidi a diverse temperature , su engineerplant.it .
  8. ^ Viscosity ( PDF ), su byk.com , BYK-Gardner. URL consultato il 3 dicembre 2017 (archiviato dall' url originale il 12 maggio 2013) .
  9. ^ Glenn Elert, The Physics Hypertextbook – Viscosity , su physics.info .
  10. ^ JC Maxwell, On the viscosity or internal friction of air and other gases , in Philosophical Transactions of the Royal Society of London , vol. 156, 1866, pp. 249–268, DOI : 10.1098/rstl.1866.0013 .
  11. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics,75th edizione, p6-239
  12. ^ Requisiti e proprietà dei lubrificanti , su eni.com , Eni. URL consultato il 3 settembre 2019 .
  13. ^ R. Edgeworth, BJ Dalton e T. Parnell, The pitch drop experiment , in European Journal of Physics , vol. 1984, 1984, pp. 198–200.
  14. ^ h o =2A c /u dove: h o = dimensione fittizia; A c = area della sezione del conglomerato; u = perimetro della sezione di conglomerato a contatto con l'atmosfera

Bibliografia

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Controllo di autorità Thesaurus BNCF 20852 · LCCN ( EN ) sh85143858 · GND ( DE ) 4063625-2 · BNF ( FR ) cb11976017g (data) · BNE ( ES ) XX534455 (data) · NDL ( EN , JA ) 00568098