ATTRITO VISCOSO NEI FLUIDI DOWNLOAD Il pdf di questa lezione (0319a.pdf) è scaricabile dal sito http://www.ge.infn.it/∼calvini/scamb/ 19/03/2012 VISCOSITÀ La viscosità è un fenomeno che si manifesta in un fluido reale in moto quando i vari strati di fluido scorrono gli uni rispetto agli altri, con dissipazione di energia meccanica e riscaldamento del fluido. La descrizione della viscosità risulta semplice nel caso di moto laminare - per averne un’idea si pensi allo scorrimento delle carte da gioco in un mazzo. Si consideri (vedere la figura della slide successiva) una piattaforma di area A galleggiante su uno spessore h di fluido e trainata con velocità costante v◦. Il fluido a contatto con la piattaforma si muove con la stessa velocità v◦ della piattaforma mentre il fluido a contatto con il fondo, alla profondità h, è fermo. 2 In regime laminare i vari strati di fluido scorrono gli uni rispetto agli altri ed hanno velocità crescenti dal fondo (v = 0) fino in superficie (v = v◦). Per mantenere la piattaforma in moto uniforme con velocità v◦ bisogna applicare alla piattaforma una forza costante F la cui intensità è data da A v◦ F =η ; η = coefficiente di viscosita0 dinamica . (1) h 3 COEFFICIENTI DI VISCOSITÀ La quantità η che compare nella relazione (1) quantifica gli effetti di viscosità del fluido e viene chiamata coefficiente di viscosità dinamica. Nel SI si ha [η] = kg m−1 s−1 = P a s (equivalentemente, dove P a = N m−2 è l’unità di pressione nel SI). Introdotta la densità del fluido ρ, dove [ρ] = kg m−3, si definisce coefficiente di viscosità cinematica la quantità ν collegata a η dalle relazioni η ν= ρ ; η =ρ ν. (2) Nel SI si ha [ν] = m2 s−1. 4 VALORI DEI COEFFICIENTI DI VISCOSITÀ DINAMICA η E CINEMATICA ν A 20◦ C mezzo η in P a s ν in m2 s−1 aria 1.8 · 10−5 1.5 · 10−5 acqua 1.0 · 10−3 1.0 · 10−6 sangue (37◦ C) 4.0 · 10−3 3.9 · 10−6 glicerina 1.5 1.2 · 10−3 mercurio 1.5 · 10−3 1.1 · 10−7 alcool 1.2 · 10−3 1.5 · 10−6 5 FORZA DI ATTRITO VISCOSO Un corpo che si muove con velocità v in un fluido subisce una forza di attrito che si oppone al suo moto. Per semplicità si considera un corpo che non dia apprezzabili effetti di portanza (= forza perpendicolare alla direzione del moto). Se l’attrito è originato in maniera predominante dalla viscosità del fluido, la forza di attrito Fattr agente sul corpo di dimensione trasversale L può essere scritta nella forma Fattr = −k η L v , (3) dove k è un coefficiente numerico che dipende dalla forma del corpo e η è il coefficiente di viscosità dinamica del fluido. L’intensità dell’attrito è quindi proporzionale al modulo v della velocità ed alla dimensione trasversale L del corpo. 6 LEGGE DI STOKES Nel caso che il corpo sia una sfera di raggio r, la forza di attrito (3) può essere scritta come Fattr = −6 π η r v LEGGE DI STOKES . (4) Affinché la legge (3-4) valga, il moto del fluido attorno al corpo deve essere laminare. Nel disegno il corpo va verso destra e “vede” il fluido muoversi verso sinistra. 7 CORPO CHE SI MUOVE IN MEZZO VISCOSO Si studia il moto rettilineo (lungo l’asse z) di un corpo di massa m che affonda in un mezzo viscoso sotto l’azione della forza di attrito (3) Fattr = −K v dove K = k η L. Sul corpo agisce verso il basso il peso efficace P ∗, dato dal peso del corpo meno la spinta di Archimede. Nel caso che il corpo sia una sfera omogenea di densità ρc e raggio r, immersa in un fluido di densità ρ, la componente z del peso efficace P∗ sarà data da Pz∗ 4 π r3 = (ρc − ρ) g . 3 (5) Il II Principio della Dinamica applicato al corpo di massa m conduce alla seguente equazione differenziale nella funzione incognita vz (t) 8 dvz (t) m = Pz∗ − K vz (t) , dt (6) dove si può imporre la condizione iniziale vz (0) = 0. Al passare del tempo la velocità vz (t) crescerà da zero verso il valore limite vzl = Pz∗ K che corrisponde al valore di velocità tale da annullare il secondo membro della (6). Si può dimostrare che la soluzione della (6) è data da " vz (t) = vzl t 1 − exp − τ !# Pz∗ = K " t 1 − exp − τ !# , (7) m . Nella dove la costante di tempo caratteristica τ è data da K figura successiva è illustrato l’andamento temporale della velocità che tende al valore limite vzl . 9 ∼ Come indicazione di come vz (t) si avvicina a vzl si ha vz (τ ) = ∼ 0.86 v , v (3 τ ) = ∼ 0.95 v e v (4 τ ) = ∼ 0.63 vzl , vz (2 τ ) = z z zl zl ∼v . 0.98 v . Trascorse 4 o 5 costanti di tempo si ha v = zl z zl 10 Nel caso che il corpo sia una sfera omogenea di raggio r e densità ρc si avrà 4 π r 3 ρc ; m= 3 2 r2 (ρc − ρ) vzl = g ; 9 η 2 r 2 ρc τ = (8) 9 η dove ρ è la densità del fluido viscoso. ESEMPIO: goccia di aerosol (nebbia) in aria. Si ha r = 4 · 10−5 m, ρc = 103 kg m−3, ρ = 1.2 kg m−3 (densità dell’aria), η = 1.8 · 10−5 P a s, g = 9.8 m s−2. Si ottiene m = 2.7 · 10−10 kg, vzl = 1.9 · 10−1 m s−1 e τ = 2.0·10−2 s. La goccia di aerosol raggiunge la velocità di regime in un tempo brevissimo e scende troppo lentamente per poter apprezzabilmente sedimentare sotto l’azione del proprio peso. 11 Mediante integrazione la relazione (7) ci permette di risalire alla legge oraria z = z(t), se si pone ad esempio z(0) = 0. Si scrive l’integrale definito z(t) = Z t 0 vz (t0) dt0 (9) e si ottiene t z(t) = vzl t − vzl τ 1 − exp − . (10) τ L’equazione (10) dà una legge oraria che per valori di t " !# maggiori di alcune costanti di tempo τ differisce ben poco da un moto rettilineo uniforme con velocità vzl . Trascorse alcune costanti di tempo, il corpo si muove praticamente con legge oraria z(t) = vzl t − vzl τ e, quindi, si muove di moto uniforme, restando indietro di vzl τ rispetto ad un corpo che fosse partito al tempo t = 0 già con la velocità limite vzl . 12 13