Fluidodinamica

Prima di parlare di fluidodinamica è bene premettere che gli stati della materia sono: solido, liquido e aeriforme. La forma particolare assunta dalla materia è determinata dalle forze tra le molecole.

Aeriformi:

Essendo le molecole abbastanza lontane, esse non interagiscono le une con le altre. L’unica interazione avviene quando le molecole collidono occasionalmente fra di loro. I gas sono facilmente comprimibili e deformabili.

Solidi:

Le molecole sono abbastanza vicine da far sì che le forze dovute a quelle adiacenti siano indicative. La materia prende la forma determinata dalla natura delle molecole e dalle proprietà delle forze. In alcuni casi le forze agiscono in modo da organizzare le molecole in un reticolo, una struttura nella quale le molecole o gli atomi sono connessi da legami rigidi e hanno poca libertà di movimento, tranne che per piccoli spostamenti. Un solido ha quindi forma e volume fissati.

Liquidi:

Nei liquidi le molecole sono molto vicine e le forze intermolecolari tra queste sono intense ma non portano a nessuna struttura reticolare organizzata. Tali aggregati di molecole non resistono a deformazioni. Tuttavia, le molecole di un liquido, differentemente da quelle dei gas, sono vicine le une alle altre e si hanno forze repulsive a brevi distanze che tendono a resistere alla compressione.

La distinzione in tre forme della materia non è assoluta. I gas nonostante la loro compressibilità presentano molte caratteristiche dei liquidi. Inoltre, la forma particolare assunta da un insieme di molecole dipende anche dalle condizioni esterne (come ad esempio la temperatura ) .

Infine definiamo fluido: una sostanza incapace di resistere alle deformazioni, tale caratteristica appartiene sia alle sostanze liquide sia a quelle aeriformi.

Caratteristiche dei fluidi

Le variabili che caratterizzano i fluidi in quiete, sono principalmente densità e pressione.

La densità, indicata con r, è data da:

dal rapporto tra quantità di massa e volume del fluido.Varia con la temperatura,questa variazione è maggiore per i gas .

La pressione , indicata con p, è data da:

essa è misurata in Pascal

E una misura della forza che agisce all’interno di un fluido . La pressione media su una superficie di area A è definita come la forza per unità di area agente perpendicolarmente a quella superficie.

La fluidodinamica è la scienza che studia i fluidi in movimento.

Quando un fluido si muove all’interno di un condotto si verifica il fenomeno del trascinamento. Questo fenomeno è la conseguenza di un’altra caratteristica fondamentale dei fluidi: la viscosità.

La viscosità rappresenta un attrito interno del fluido,è una grandezza legata ai concetti di forza e velocità . Numericamente è espressa dal coefficiente di viscosità m.

Il flusso viscoso può essere analizzato se prendiamo in esame due cilindri con uno strato sottile di fluido tra loro.

Si mette in rotazione il cilindro esterno attorno a quello interno.

Assumiamo che il cilindro interno sia separato da quello esterno da una distanza y.

Se il cilindro esterno si deve muovere con velocità v deve essere applicata una forza. Il modulo di questa forza è proporzionale a y.

Risulterà che in seguito al movimento il fluido vicino al cilindro esterno si muoverà alla sua stessa velocità, mentre quello vicino al cilindro interno sarà in quiete.

Infatti, osservando il grafico, si può notare che la velocità delle particelle di fluido varia linearmente tra quelle a contatto con il cilindro esterno (v massima) e quelle a contatto con il cilindro interno (v = 0).

Introduciamo ora il concetto di tensione legato al coefficiente di viscosità:

Che indica la forza per unità di superficie esprimibile anche con:

Secondo la legge di Newton la tensione è:

dove sono rispettivamente raggio interno e raggio esterno,ma non tutti i fluidi sono Newtoniani.

Fluidi Newtoniani

In essi la viscosità è rappresentata da una retta, essendo r costante a parità di fluido.

Non molti fluidi però possono essere semplificati con queste ipotesi di viscosità. In particolare ci sono:

Fluidi Dilatanti

(alcuni tipi di grassi, amidi)

In essi la tensione, cioè la forza da applicare per far muovere il fluido aumenta con l’aumentare della velocità.

Fluidi Pseudoplastici

(molto più comuni in natura, es. gelatine alimentari)

Nel sistema internazionale il coefficiente di viscosità si misura in

=

un’altra unità di misura molto usata è quella francese chiamata Poise

Esperimento di Reynolds

Si collega un serbatoio con l’esterno tramite un tubo e all’interno di questo tubo si mette del liquido di controllo colorato

al variare dell’altezza del serbatoio si osserva come varia il fluido:

Se il livello è basso, bassa è la velocità di uscita e il liquido non si mischia

Primo caso, Moto Laminare:

Moto che avviene per lamine, all’interno del tubo i filetti fluidi non si mescolano l’uno con l’altro.

Aumentando man mano il livello iniziale del serbatoio: aumenta la velocità d’uscita, il filetto fluido comincia ad incresparsi fino ad arrivare ad un punto in cui si mescola con il fluido.

Secondo caso, Moto Turbolento:

Moto in cui si originano delle turbolenze

Esiste anche una fase intermedia nella quale il fenomeno è abbastanza ibrido e di difficile interpretazione, una fase di transizione tra un tipo di moto e l’altro.

Quindi la grande distinzione è tra il tipo di moto in cui ogni particella ha la stessa direzione e quello in cui varia direzione in maniera casuale. Reynolds applica questo esperimento a varie tipologie di sostanze e si accorge che questa distinzione tra primo e secondo caso avviene ad una certa grandezza caratteristica del sistema chiamata oggi numero di Reynolds

che rappresenta il rapporto tra velocità, diametro del tubo, densità e viscosità. Si tratta di un numero puro che non ha unità di misura. Infatti, se introduciamo tutte le unità di misura (nel sistema internazionale) delle grandezze in gioco, esse si semplificano.

w = velocità

D = diametro [m]

r = densità

m = viscosità

Nel regime Laminare Re < 2100

nel regime Turbolento Re > 4000

Esercizio svolto:

All’ interno di un tubo di diametro D = 50,8 mm scorre ammoniaca alla velocità di 21,3 m/s. L’ammoniaca ha viscosità m = 8,6 x Poise e densità r = 0,7714.

Trovare il numero di Reynolds.

Riportando tutti i dati nel Sistema Internazionale:

D = 0,0508 m

w = 21,3 m/s

m = 8,6 x Poise =

r = 0,7714

Re==

c.v.d. il numero di Reynolds è un numero puro.

Come gia detto la fluidodinamica descrive i fluidi in movimento. I tipi più complessi di moto sono descritti da equazioni generali del moto dei fluidi.

Equazione di continuità

(conservazione della massa)

Analizziamo il moto di un fluido che attraversa un cilindro.

Il volume del fluido che passa attraverso la sezione di area ad un dato istante t è il volume di un cilindro di base e di lunghezza dove è la velocità attraverso quella sezione. Il volume risulta quindi . Se la densità del fluido attraverso questa sezione è allora la massa di fluido che attraversa la sezione in un determinato intervallo di tempo è:

Analogamente la massa di fluido che attraversa una sezione di area nello stesso intervallo di tempo è:

ma poiché il fluido non entra e non esce dalle pareti laterali, la conservazione della massa implica che:

ovvero che =

oppure

dove rappresenta la portata in volume

e rappresenta la portata in massa

Quando ci restringiamo a fluidi incomprimibili, per i quali la densità è costante l’espressione diventa:

=

Questo risultato afferma che il prodotto dell’area per la velocità di qualunque fascio di linee di corrente è costante lungo il tubo di flusso. La velocità di flusso varia inversamente con l’area della sezione del tubo. Questa equazione esprime la conservazione del volume di fluido che passa attraverso una data area nell’unità di tempo.

Si può scrivere un’equazione analoga per la conservazione dell’energia.

Equazione di Bernoulli

L’equazione di Bernoulli derivata nel 1738 da Daniel Bernoulli esprime la conservazione dell’energia per fluidi in movimento in un condotto all’interno del quale avvengono degli scambi di energia dovuti all’azione di turbine e pompe.

: sezione di ingresso

: sezione di uscita

Turbina: sfrutta il movimento del fluido per produrre energia (lavoro > zero)

Pompa: usa energia per compiere lo spostamento del fluido (lavoro < zero)

In un intervallo di tempo il fluido si muove dalla sezione in direzione della sezione . Le due sezioni trasversali del tubo si trovano una ad altezza e l’altra ad altezza . All’ingresso il fluido è caratterizzato da una velocità d’entrata , pressione , e densità . All’uscita da .

Nell’equazione di Bernoulli la differenza tra tutta l’energia che esce e tutta l’energia che entra è:

dove:

w è la velocità

z la quota

p la pressione

r la densità

l il lavoro (dato e tolto)

R la resistenza (data dal tubo e da tutte le accidentalità e forze di attrito)

Quindi l’equazione di uscita meno l’equazione di ingresso è pari al lavoro meno le accidentalità varie che hanno alterato il moto del fluido.

Applicazioni dell’equazione di Bernoulli

1. Serbatoio con sbocco

Nell’ipotesi con R trascurabile è possibile vedere il risultato in funzione della quota del serbatoio.Cioè si può ricavare la velocità di uscita direttamente dalle quote iniziali e vedere che tale velocità cresce con la profondità.

2. Tubo a sezione continua all’interno del quale è stata posta una pompa.

L’equazione di Bernoulli diventa:

La quota e la velocità non cambiano. In questo caso si ha semplicemente un aumento di pressione.

lavoro specifico della pompa

3. Tubo a sezione costante con una valvola, tubo parzialmente chiuso e parzialmente aperto.

Anche in questo caso la quota e la velocità non cambiano. La diminuzione di pressione è causata direttamente dagli ostacoli e dall’attrito.