Fluidi

Un fluido può essere composto da una sostanza o da una miscela di sostanze.

Dal punto di vista microscopico, le particelle che compongono un fluido sono in continuo movimento.

Questi moti molecolari disordinati spiegano le proprietà macroscopiche dei fluidi, ma impongono anche una precisazione sul concetto di equilibrio.

Un fluido è in equilibrio statico quando, nonostante l'agitazione termica delle sue molecole, la massa totale del fluido rimane in quiete. In altre parole, non si osserva un moto complessivo della sostanza.

Ad esempio, un bicchiere d'acqua fermo su un tavolo rappresenta un fluido in equilibrio: le molecole si muovono, ma il liquido nel suo insieme non si sposta.

Quando un liquido non riempie completamente un contenitore, la parte superiore che è in contatto con l'aria (e non con le pareti) si chiama superficie libera.

Se il liquido è in equilibrio statico, questa superficie è piana e orizzontale.

Ad esempio, versando dell'acqua in un bicchiere su un tavolo piano, la superficie dell'acqua si dispone orizzontalmente, a meno che non si agiti il bicchiere.

L’effetto delle forze sui fluidi

Nei fluidi, le particelle sono legate tra loro da forze di coesione molto deboli. Per questo motivo, un fluido non è in grado di opporsi a forze tangenziali, cioè a forze dirette parallelamente alla sua superficie.

Se si applica una forza tangenziale, gli strati del fluido iniziano a scorrere l’uno sull’altro. Il fluido non può restare in equilibrio.

Questo comportamento è caratteristico del moto viscoso e distingue nettamente i fluidi dai solidi, i quali invece reagiscono con una forza elastica che tende a riportarli alla forma originaria.

Esempio. Se immergo un cucchiaio in un bicchiere d'acqua e lo sposto lateralmente, gli strati d’acqua scorrono l’uno sull’altro lungo la direzione del moto, senza che il fluido opponga una resistenza di ripristino. In altre parole, se ruoto il cucchiaino nell'acqua, come in una tazzina di caffé, il fluido non è più in equilibrio.
 

Al contrario, un fluido può trovarsi in equilibrio sotto l’azione di forze perpendicolari alla sua superficie. Queste forze comprimono il fluido ma non lo fanno scorrere.

Il risultato è la comparsa di una pressione, una grandezza fisica che misura l’intensità della forza distribuita perpendicolarmente su una superficie.

• Una compressione genera una pressione positiva.
• Una trazione (cioè una forza che tende ad allontanare le particelle) può produrre una pressione negativa, fino al limite della cavitazione nei liquidi (formazione di bolle).

Nei fluidi ideali, la pressione è isotropa: si esercita ugualmente in tutte le direzioni.

Esempio. Se immergo il cucchiaio verso il basso, spingendolo perpendicolarmente alla superficie libera dell’acqua (forza normale), il fluido oppone resistenza alla compressione, l’acqua si sposta per fare spazio al cucchiaio generando una pressione interna, si deforma localmente dove lo immergo ma non scorre lungo la superficie. Quindi, in questo caso l’acqua resta in equilibrio anche se sottoposta a pressione.

La pressione è una variabile centrale nello studio dei fluidi perché permette non solo di descrivere il comportamento di un fluido in equilibrio statico, ma anche di comprendere cosa accade quando il fluido è in movimento.

È proprio da questa osservazione che nasce un intero ramo della fisica: la fluidodinamica, cioè lo studio del moto dei fluidi sotto l’effetto delle forze.

La risposta allo sforzo

La differenza fondamentale tra un fluido e un solido si osserva nel modo in cui ciascuno risponde a uno sforzo meccanico, cioè all’azione di una forza distribuita su una superficie.

• Un solido reagisce a uno sforzo di taglio con una forza di ripristino. Questa forza tende a riportarlo alla forma originaria, come nel caso di una molla elastica.  Se la deformazione è elastica, il solido torna alla forma iniziale. Se lo sforzo supera una soglia critica, si entra nel regime plastico, e la deformazione diventa permanente. Se lo sforzo è ancora maggiore, si può arrivare alla frattura.
• Un fluido, invece, non ha una resistenza alla deformazione permanente. Non esiste una forza che si opponga allo scorrimento continuo causato da uno sforzo tangenziale: il fluido si deforma in modo permanente e continuo finché l’azione della forza persiste.  Non c'è forza di ripristino sotto sforzo di taglio statico. La deformazione continua anche sotto piccoli sforzi.  La resistenza si manifesta solo durante il movimento, sotto forma di attrito viscoso.

Esempio. Se appoggio un libro su un cuscino (solido), il cuscino si deforma ma tende a tornare com’era. Se muovo il dito dentro del miele (fluido viscoso), lo strato continua a deformarsi finché continuo a spingere.

E così via.