Versa il miele. Fa schifo. Spesso. Lento. L’acqua colpisce il lavandino con uno spruzzo. Veloce. Caotico.
La differenza non è solo la consistenza. È fisica. Nello specifico, è la viscosità.
La maggior parte delle persone pensa alla viscosità come a uno “spessore”. Ci siamo vicini, ma non cogliamo il punto. La viscosità è la resistenza che i liquidi e i gas mostrano al flusso e alla deformazione. È la misura di quanto un fluido reagisce quando si tenta di spostarlo.
Come funziona la viscosità a livello molecolare
Si tratta di attriti interni.
Immagina le particelle all’interno di un fluido. Non stanno semplicemente fluttuando liberamente. Stanno interagendo. Tirando. Spingendo. La forza dei legami tra atomi e molecole determina la facilità con cui questi strati di fluido possono scivolare uno sull’altro.
Se questi legami sono deboli, le molecole si allontanano l’una dall’altra con poco sforzo. Il fluido scorre. Se i legami sono forti, le molecole si aggrappano tra loro. Resistono alla separazione. Resistono alla deformazione.
Maggiore è la forza di attrazione intermolecolare, maggiore è la viscosità.
È un compromesso diretto. Un’attrazione più forte significa più resistenza. Maggiore resistenza significa un fluido più viscoso.
Perché questo è importante per gas e liquidi
Di solito ne parliamo con i liquidi. Olio. Sciroppo. Latte. Ma anche i gas hanno viscosità. L’aria ha viscosità. È semplicemente molto più basso perché le molecole sono più distanti e interagiscono meno frequentemente.
La viscosità è una delle caratteristiche principali dei fluidi. Non è possibile definire un fluido senza definire come resiste al flusso.
Pensaci in questo modo:
- Bassa viscosità : il fluido scorre facilmente. Poco attrito interno. Pensa all’acqua o all’alcol.
- Alta viscosità : il fluido resiste al flusso. Elevato attrito interno. Pensa alla melassa o all’olio motore pesante.
La resistenza dipende interamente dalla forza con cui le molecole o le particelle cercano di restare insieme quando le si separano.
Quindi quando vedi un fluido in movimento, stai effettivamente guardando una battaglia. Stai osservando la forza esterna che tenta di superare l’attrazione molecolare interna. Chi vince determina la velocità.
Come misurare effettivamente la viscosità senza tirare a indovinare
Non puoi semplicemente osservarlo. Non proprio. Hai bisogno di strumenti. Nello specifico, un viscosimetro o un reometro. Questi dispositivi non si limitano a monitorare il fluido; misurano la resistenza. Il risultato? Un numero rappresentato dalla lettera greca μ (mu). Questo è il simbolo della viscosità dinamica.
Ma come lo calcoli? Torni a Newton. La sua legge della viscosità ti dà la formula:
𝞽 = μ(u/y)
Sembra semplice. Non lo è. Ecco cosa significano effettivamente le variabili nel mondo reale:
- 𝞽 è lo sforzo di taglio. Pensatela come la pressione tangenziale che spinge sulla superficie.
- μ è la viscosità dinamica stessa.
- u è la velocità del fluido.
- y è la distanza o deformazione tra gli strati fluidi.
Nel sistema SI, l’unità è il pascal-secondo (Pa·s). Ma ingegneri e scienziati spesso parlano altre lingue. Il poise (P) deriva dal sistema CGS ed è pari a 0,1 Pa·s. Probabilmente vedrai il centipoise (cP) più spesso: è 0,01 poise o 10 Pa·s. Poi ci sono i grammi per centimetro secondo (g/cm·s), che è solo un altro modo per dire 1 poise. Newton al secondo per metro quadrato (N·s/m²) e chilogrammi per metro-secondo (kg/m·s) equivalgono entrambi a 1 Pa·s. È un pasticcio di unità, ma tutte corrispondono alla stessa realtà fisica.
Perché lo yogurt si comporta diversamente dall’acqua
La viscosità non è una caratteristica fissa. Dipende dal fluido. E la temperatura.
Prendi l’acqua. Riscaldalo e scorre più velocemente. La viscosità diminuisce. La maggior parte dei liquidi fa questo. Ma i gas? Fanno il contrario. Riscaldiamo un gas e la sua viscosità aumenta. Perché? Perché le particelle si scontrano più frequentemente a temperature più elevate, creando più attrito interno. È controintuitivo se sei abituato a pensare solo ai liquidi.
Poi c’è il tipo di fluido. Hai a che fare con un fluido newtoniano o con uno non newtoniano?
L’acqua e la maggior parte dei gas sono newtoniani. Mescolali forte o lentamente e la loro viscosità rimane la stessa. La resistenza interna è costante indipendentemente dalla forza applicata.
Yogurt, vernice e gelatina no. Sono fluidi non newtoniani. La loro viscosità cambia quando si applica la forza. Lo yogurt è denso e immobile su un cucchiaio. Mescolalo e all’improvviso scorre. Smetti di mescolare e si addensa di nuovo. Questo comportamento crea un gradiente di velocità tra gli strati fluidi. Parti diverse del liquido si muovono a velocità diverse perché l’attrito interno varia.
Le forze molecolari contano qui. Una forte attrazione intermolecolare significa maggiore viscosità. Una debole attrazione significa che il fluido scivola via facilmente. Un fluido con viscosità zero è un costrutto teorico chiamato fluido ideale o superfluido. Non esiste nella tua cucina, ma è importante in fisica.
Viscosità dinamica e cinematica: qual è la differenza?
Devi sapere di quale stai parlando.
La viscosità dinamica (o viscosità assoluta) è la resistenza interna tra le molecole. È ciò che tiene insieme il fluido invece di disperdersi. Abbiamo già trattato il suo simbolo, μ, e la sua unità, il pascal-secondo.
La viscosità cinematica è diversa. Mette in relazione la viscosità dinamica con la densità. Il simbolo è ν (nu). La formula è:
ν =μ/ρ
Dove ρ è la densità del fluido.
Poiché si tratta di densità, le unità cambiano. Nel sistema CGS, l’unità è la stoke (St), che equivale ai centimetri quadrati al secondo (cm²/s). Vedrai spesso il centistoke (cSt), che è 0,01 stokes. Nel SI sono metri quadrati al secondo, anche se è un numero elevato per la maggior parte dei fluidi comuni.
Perché distinguerli? Perché la viscosità dinamica indica la forza necessaria per spostare il fluido. La viscosità cinematica indica come il fluido scorre sotto gravità. Uno riguarda lo sforzo; l’altro riguarda la portata.
La viscosità delle sostanze quotidiane
L’acqua a 20°C ha una viscosità di 1 centipoise. È basso. Si versa facilmente. È uno dei liquidi comuni meno viscosi.
Confrontatelo con il petrolio. Che si tratti di olio da cucina ricavato dai semi o di olio combustibile ricavato dal petrolio raffinato, l’olio è viscoso. L’olio combustibile è particolarmente denso. Resiste al flusso, motivo per cui i motori necessitano di pompe e pressione per spostarlo.
Anche il gel per capelli e lo shampoo sono altamente viscosi. Le loro molecole resistono al movimento. Agitare la bottiglia e si diradano. Lasciali riposare e potrebbero persino sembrare solidi. In pratica non sono newtoniani e cambiano struttura in base all’agitazione.
Glicerina è un altro esempio. Presente nei grassi animali e vegetali, viene utilizzato nei saponi e nei cosmetici a causa della sua natura densa e appiccicosa. Non scorre come l’acqua.
Il Mercurio è un metallo liquido. È denso e ha un proprio profilo di viscosità specifico, utilizzato nei processi industriali e storicamente nei dispositivi medici. Si comporta diversamente dai liquidi organici a causa del suo legame metallico.
Gli sciroppi sono viscosi a causa del contenuto di zucchero. L’elevata concentrazione di solidi disciolti crea resistenza tra le molecole. Scorrono lentamente, deliberatamente.
Comprendere la viscosità non significa solo sapere quanto è denso qualcosa. Si tratta di prevedere come si comporterà quando lo spingi, lo riscaldi o lo lasci riposare.
