Viscosità Newtoniana e Fluidi non Newtoniani

Se sei su questo sito, probabilmente avete un’idea generale su cosa è la viscosità e quanto è importante nello sviluppo di qualsiasi applicazione che coinvolge il flusso del fluido. Tuttavia, la caratterizzazione dei fluidi è molto più profonda e complessa di quanto ci si aspetti di solito. Ogni materiale unico ha il suo comportamento quando sottoposto a flusso, deformazione o stress.,

A seconda del loro comportamento viscosità in funzione della velocità di taglio, stress, storia deformazione…, i fluidi sono caratterizzati come newtoniano o non newtoniano.

Fluidi newtoniani

I fluidi newtoniani prendono il nome da Sir Issac Newton (1642 – 1726) che descrisse il comportamento del flusso dei fluidi con una semplice relazione lineare tra sforzo di taglio e velocità di taglio ., Questo rapporto è ora conosciuta come la Legge di Newton di Viscosità, dove la costante di proporzionalità η è la viscosità del fluido:

Alcuni esempi di fluidi Newtoniani sono comprensivi di acqua, solventi organici, e miele. Per quei fluidi la viscosità dipende solo dalla temperatura. Di conseguenza, se osserviamo un grafico della sollecitazione di taglio rispetto alla velocità di taglio (vedi Figura 1) possiamo vedere un aumento lineare della sollecitazione con l’aumento della velocità di taglio, in cui la pendenza è data dalla viscosità del fluido., Ciò significa che la viscosità dei fluidi newtoniani rimarrà costante (vedi Figura 2) indipendentemente dalla velocità con cui sono costretti a fluire attraverso un tubo o un canale (cioè la viscosità è indipendente dalla velocità di taglio).

Un’eccezione alla regola è Bingham plastics, che sono fluidi che richiedono una sollecitazione minima da applicare prima di fluire. Questi sono strettamente non newtoniani, ma una volta che il flusso inizia si comportano essenzialmente come fluidi newtoniani (cioè lo stress di taglio è lineare con velocità di taglio). Un grande esempio di questo tipo di comportamento è la maionese.,

I fluidi newtoniani sono normalmente costituiti da piccole molecole isotropiche (simmetriche per forma e proprietà) che non sono orientate dal flusso. Tuttavia, è anche possibile avere un comportamento newtoniano con grandi molecole anisotropiche. Ad esempio, soluzioni proteiche o polimeriche a bassa concentrazione potrebbero mostrare una viscosità costante indipendentemente dalla velocità di taglio. È anche possibile per alcuni campioni visualizzare il comportamento newtoniano a basse velocità di taglio con un plateau noto come regione di viscosità zero shear.,

Fluidi non newtoniani

In realtà la maggior parte dei fluidi sono non newtoniani, il che significa che la loro viscosità dipende dalla velocità di taglio (assottigliamento o ispessimento del taglio) o dalla storia della deformazione (fluidi tixotropici). In contrasto con i fluidi newtoniani, i fluidi non newtoniani mostrano una relazione non lineare tra stress di taglio e velocità di taglio (vedi Figura 1), hanno uno stress di snervamento o una viscosità che dipende dal tempo o dalla storia della deformazione (o una combinazione di tutto quanto sopra!).,

Un fluido è ispessimento del taglio se la viscosità del fluido aumenta all’aumentare della velocità di taglio (vedere Figura 2). Un esempio comune di fluidi di ispessimento del taglio è una miscela di amido di mais e acqua. Probabilmente avete visto esempi di questo in TV o su Internet, dove le persone possono correre su questo tipo di soluzioni e tuttavia, affonderanno se stanno fermi. I fluidi si assottigliano se la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di taglio. I fluidi di assottigliamento del taglio, noti anche come pseudo-plastica, sono onnipresenti nei processi industriali e biologici., Esempi comuni includono ketchup, vernici e sangue.

Il comportamento non newtoniano dei fluidi può essere causato da diversi fattori, tutti legati alla riorganizzazione strutturale delle molecole del fluido dovuta al flusso. Nei fusioni e nelle soluzioni polimeriche, è l’allineamento delle catene altamente anisotropiche che si traduce in una diminuzione della viscosità. Nei colloidi, è la segregazione delle diverse fasi nel flusso che causa un comportamento di assottigliamento del taglio.

Perché dovrei preoccuparmi?,

Il flusso del fluido dipende fortemente dalla viscosità dei fluidi. Allo stesso tempo, per un fluido non newtoniano, la viscosità è determinata dalle caratteristiche del flusso . Guardando la Figura 3, è possibile osservare tre profili di velocità molto diversi a seconda del comportamento del fluido. Per tutti questi fluidi, la velocità di taglio alle pareti (cioè la pendenza del profilo di velocità vicino alla parete) sta per determinare la viscosità., La caratterizzazione efficace della viscosità è fondamentale per determinare se un fluido è newtoniano o non newtoniano e quale intervallo di velocità di taglio deve essere considerato per un’applicazione specifica. Molti viscosimetri sul mercato misurano la viscosità dell’indice ma spesso mancano di una corretta caratterizzazione della velocità di taglio e della viscosità assoluta o vera. La viscosità assoluta è uno dei parametri più importanti nello sviluppo e nella modellazione di applicazioni che coinvolgono il flusso del fluido. Pertanto, la corretta caratterizzazione della viscosità deve essere effettuata a una velocità di taglio rilevante per il processo specifico., Scopri di più sui viscosimetri RheoSense e su come consentono misurazioni della viscosità reale su un’ampia gamma di velocità di taglio.

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