Viscosidad

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Comparación entre el comportamiento de dos sustancias con diferentes viscosidades (arriba: sustancia con menor viscosidad; abajo: sustancia con mayor viscosidad).

En el contexto de los fenómenos de transporte , la viscosidad es una cantidad física que mide la resistencia de un fluido a fluir. En otras palabras, es el coeficiente de intercambio de impulso . [1] Desde un punto de vista microscópico, la viscosidad está relacionada con la fricción entre las moléculas del fluido. Cuando se hace que el fluido fluya dentro de una tubería, las partículas que componen el fluido generalmente se mueven más rápido a lo largo del eje de la tubería y más lentamente cerca de sus paredes; por eso es necesario un esfuerzo , que se traduce en una diferencia de presión , para contrarrestar el rozamiento entre las capas de partículas y poner el fluido en movimiento. El esfuerzo percibido por el fluido es proporcional a su viscosidad.

La viscosidad generalmente se indica con la letra griega μ (mu o mi) o, más raramente, con la letra η (eta) para recordar la conexión con el coeficiente de fricción de la mecánica clásica . A menudo se le llama viscosidad dinámica para distinguirla de la viscosidad cinemática , que es una cantidad similar a la viscosidad dinámica, pero dimensionalmente diferente. La fluidez también se define como la magnitud recíproca de la viscosidad. [2] [3]

Se dice que un fluido que no tiene viscosidad es ideal. En realidad, existen fluidos sin viscosidad a bajas temperaturas , los llamados superfluidos . En el lenguaje común, a menudo el límite de demarcación entre líquidos lo establece el agua, de modo que los fluidos con una viscosidad inferior a la del agua se identifican como no viscosos. Además, los fluidos de muy alta viscosidad, como la brea, no parecen muy diferentes de un sólido.

Etimología

La palabra viscosidad proviene del latín viscum (muérdago) : una planta tupida. En la antigüedad, a partir del jugo de las bayas del muérdago, se preparaban con viscosa .

Descripción

Fluidos newtonianos y no newtonianos

Esfuerzo cortante en función del caudal ( tasa de deformación cortante ) para varios fluidos típicos: pseudoplástico ( plástico de Bingham ), adelgazamiento ( adelgazamiento por cizallamiento ), newtoniano, dilatador ( espesamiento por cizallamiento ). La viscosidad dinámica es la pendiente, que es una constante solo para los fluidos y pseudoplásticos newtonianos por encima del valor umbral.

La ley de Stokes (viscosidad lineal) y de manera similar a otras leyes, como la ley de Hooke , no es una ley fundamental de la naturaleza, sino una ley que se aproxima al comportamiento de solo algunos materiales.

Esta ley define un comportamiento viscoso ideal, caracterizado por un valor del coeficiente de viscosidad independiente del esfuerzo cortante τ y del gradiente de flujo: los fluidos que obedecen esta ley se denominan fluidos newtonianos . En realidad, para muchos fluidos, el coeficiente de viscosidad μ es variable con τ . Un fluido caracterizado por una respuesta de gradiente de flujo no lineal al esfuerzo cortante se denomina fluido no newtoniano . Los gases , el agua y muchos fluidos comunes se encuentran en condiciones normales de Newton. En lo que respecta a los fluidos no newtonianos , podemos hacer la siguiente clasificación, aunque no sea completa:

  • pseudoplásticos o plásticos de Bingham : fluidos que comienzan a deformarse por encima de un cierto umbral del esfuerzo cortante, por encima del valor umbral la tasa de deformación se vuelve proporcional al esfuerzo cortante como en los fluidos newtonianos.
  • Dilatante es un material que aumenta su viscosidad a medida que aumenta el esfuerzo cortante, también se le llama espesante cortante.
  • El adelgazamiento es un material que disminuye su viscosidad a medida que aumenta el esfuerzo cortante. También se denomina adelgazamiento cuando se corta.
  • Los tixotrópicos son fluidos que se vuelven menos viscosos si se agitan o de alguna manera se ponen en movimiento.
  • Los reopectivos son fluidos que se vuelven más viscosos si se agitan o de alguna manera se ponen en movimiento.

En los fluidos newtonianos, la viscosidad es función de su composición y temperatura. En gases y fluidos compresibles , la viscosidad depende en gran medida de la temperatura y débilmente de la presión.

La viscosidad de algunos fluidos puede depender de otros factores. Los fluidos magnetorreológicos , por ejemplo, se vuelven más viscosos cuando se sumergen en un campo magnético hasta que se comportan como un sólido si el campo es muy intenso.

Un fluido con viscosidad cero ( μ = 0) con densidad constante a medida que varía la presión, por lo tanto no viscoso e incompresible, se denomina fluido ideal . Un fluido cuya viscosidad es insignificante también se puede definir como no viscoso . Cuando la viscosidad es igual a 0 hablamos de superfluidez : esta característica es típica por ejemplo de dos isótopos de helio : en el 4 He por debajo de 2,17 K, mientras que para el 3 He a una temperatura de 2,4 mK.

Explicación microscópica

La viscosidad de un fluido está determinada por el mecanismo por el cual las moléculas que lo componen interactúan entre sí. No existe una expresión simple para la viscosidad de un fluido. Las relaciones Green-Kubo son las relaciones más simples y exactas que permiten determinar los coeficientes de transporte, incluida la viscosidad, mediante integrales de la función de correlación temporal [4] . Aunque estas soluciones son correctas, para calcular la viscosidad de los fluidos densos es necesario utilizar técnicas de dinámica molecular [5] . Debe agregarse que determinar la viscosidad de los gases enrarecidos es un problema relativamente simple. En este caso, incluso haciendo simples hipótesis basadas en la teoría cinética de los gases, es posible tener un buen conocimiento del origen molecular de la viscosidad. Se puede desarrollar un tratamiento más sofisticado basándose en una división espacial adecuada en la teoría de Chapman y Enskog que utiliza la ecuación de Boltzmann para moléculas de gas.

Definiciones

Viscosidad dinámica

Representación de las fuerzas tangenciales que actúan sobre un fluido si la velocidad varía linealmente.
Representación de la velocidad del fluido que no depende linealmente de la distancia desde el plano fijo ( esfuerzo cortante significa esfuerzo cortante )

La viscosidad dinámica de un fluido es una medida de su resistencia a fluir cuando se aplica una fuerza tangencial. La causa de esta resistencia se debe a que las capas adyacentes de fluido se mueven a diferentes velocidades. La definición se da en el caso de régimen laminar . La situación ideal es tener un fluido homogéneo, como se muestra en la figura, entre dos superficies planas horizontales iguales, una fija y la otra móvil. Si la velocidad del plano en movimiento es pequeña y además las partículas de fluido se mueven en una dirección paralela al plano en movimiento con una velocidad que varía linealmente desde cero en el plano fijo hasta u en el plano en movimiento, en este caso la viscosidad dinámica es simplemente dada por:

Dónde está:

  • F es la fuerza aplicada al plano en movimiento
  • d es la distancia entre los dos planos
  • u es la velocidad constante del piso en movimiento
  • S es la superficie de cada piso
  • es el esfuerzo cortante

En el caso más general (como en la figura opuesta) la velocidad del fluido no es una función lineal de la distancia desde el plano fijo, en este caso la relación entre el esfuerzo cortante y la viscosidad se convierte en:

donde ahora:

  • y es la distancia desde el plano fijo de la capa de fluido genérica
  • u (y) es la velocidad local del fluido

Cada capa se moverá más rápido que la capa subyacente. La fricción entre ellos es la fuerza que impide el movimiento relativo de los dos planos. Por tanto, el fluido ejercerá una fuerza en el plano superior en la dirección opuesta a su movimiento, y una fuerza igual y opuesta en el plano inferior. Por tanto, el esfuerzo tangencial es necesario precisamente para garantizar una velocidad uniforme del piso superior. Para poder ignorar los efectos de borde, como se hace implícitamente, las dimensiones de los dos planos deben ser mucho mayores que su distancia.

Según su definición matemática, la viscosidad se expresa dimensionalmente por una fuerza sobre una superficie durante un tiempo , o por una presión durante un tiempo y, en términos de cantidades fundamentales, por M L −1 T −1 ( masa dividida longitud y tiempo).

A menudo, la ecuación anterior se invierte y se escribe:

Viscosidad cinemática o difusividad cinemática

La relación entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad se denomina así, [6] :

A menudo también llamada difusividad cinemática, es una medida de la resistencia al flujo de una corriente de fluido bajo la influencia de la gravedad . Esta tendencia depende tanto de la viscosidad dinámica como de la gravedad específica del fluido . Cuando dos fluidos de igual volumen se colocan en viscosímetros capilares idénticos y se dejan fluir por gravedad, el fluido con mayor difusividad tarda más en fluir. Por ejemplo, el mercurio tiene una viscosidad dinámica 1,7 veces mayor que la del agua , pero debido a su alto peso específico, se filtra mucho más rápidamente desde el mismo agujero con el mismo volumen. De hecho, la viscosidad cinemática del mercurio es nueve veces menor que la del agua a temperatura ambiente ( 20 ° C ). [7]

La viscosidad cinemática es un parámetro útil cuando se trata del número de Reynolds , útil en el estudio de fluidos dinámicos para distinguir entre régimen laminar y turbulento . El número de Reynolds viene dado en condiciones dinámicas por la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas:

Dónde está es la dimensión lineal típica del sistema.

Viscosidad volumétrica

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Viscosidad volumétrica .

Cuando un fluido compresible se comprime o se expande, sin esfuerzo cortante, también en este caso puede tener una forma de viscosidad interna que representa una resistencia a la deformación. Estas fuerzas están relacionadas con la tasa de compresión o expansión; por esta razón se introduce un parámetro generalmente indicado con la letra que tiene las dimensiones de la viscosidad dinámica. La viscosidad volumétrica interviene en las ecuaciones de Navier-Stokes que describen la dinámica de los fluidos. La viscosidad del volumen solo es importante cuando el fluido se comprime o expande rápidamente, como es el caso del sonido o las ondas de choque . La viscosidad volumétrica explica la pérdida de energía de este tipo de onda como se describe en la ley de atenuación del sonido de Stokes .

Medida de viscosidad

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Viscosímetro .

La viscosidad se mide con varios tipos de viscosímetros y reómetros. Un reómetro se utiliza para fluidos no homogéneos para los que no es posible dar un valor de viscosidad simple y, por lo tanto, requieren la medición de un mayor número de parámetros que un viscosímetro. Dado que la viscosidad depende en gran medida de la temperatura, para hacer una medición precisa, la temperatura debe controlarse con precisión: en particular para materiales como lubricantes, una variación de temperatura de solo 5 ° C puede resultar en una duplicación de la viscosidad.

Para los fluidos newtonianos, la viscosidad es constante en un amplio rango de esfuerzo cortante y, por lo tanto, la viscosidad se describe con un solo número. Por el contrario, para los fluidos no newtonianos, la viscosidad es función de la tensión tangencial aplicada y, en algunos casos, también puede depender de la velocidad con la que se aplica la tensión.

Una de las herramientas más comunes para medir la viscosidad cinemática es el viscosímetro capilar de vidrio.

También hay viscosímetros que utilizan diferentes características de los fluidos para medir la viscosidad. Por ejemplo, un viscosímetro de taza (utilizado para pinturas) consiste en un recipiente graduado con un orificio calibrado en la parte inferior. Cuanto más viscoso sea el fluido, más tardará en fluir a través del orificio. Midiendo el tiempo de vaciado de la taza es posible (mediante tablas apropiadas) determinar la viscosidad del fluido [8] .

Otro tipo de viscosímetro se basa en la medición del par . En este caso, el fluido se coloca entre dos placas , colocadas a una distancia ajustable. Una de las dos placas se mantiene fija mientras se gira la otra. De esta forma, en lugar de una fuerza, se miden el momento mecánico aplicado y la velocidad angular de la placa en movimiento.

Los expertos consideran que la medición de la viscosidad es muy subjetiva, ya que el instrumento de medición no puede aplicar correctamente la definición de la cantidad (uno para todos: el uso de una placa, por ejemplo de acero, introduce una capa de fluido en las proximidades de que no se comporta como un fluido libre y esto afecta la medición).

Normalmente, de hecho, junto a cada medición de viscosidad, es necesario indicar en qué condiciones y con qué instrumento (incluyendo marca y modelo) se realizó.

Unidad de medida

Viscosidad dinámica

La viscosidad dinámica se mide en el Sistema Internacional en poiseuille (símbolo Pl ) y en el sistema cgs en poise (símbolo P ) se dan las conversiones:

  • 1 Pa s = 1 Pl
  • 1 P = 0,1 Pl
  • 1 cP = 1 mPl

Sin embargo, el milipoiseuille (o centipoise ) sigue siendo ampliamente utilizado ya que expresa aproximadamente la viscosidad dinámica del agua a temperatura ambiente (1,001 mPl a 20 ° C).

Viscosidad cinemática

En el Sistema Internacional, la viscosidad cinemática, que tiene las dimensiones de una constante de difusión, es decir, una longitud al cuadrado dividida por un tiempo, se mide en m 2 / s.

En el sistema cgs la unidad de medida (cm 2 / s) se llama stokes y se indica con el símbolo St. A veces se usa un submúltiplo de los centistokes (cSt). Otras unidades comunes, pero obsoletas, de viscosidad cinemática son Saybolt Universal Seconds (SUS), Saybolt Furol Seconds (SFS).

1 St = 1 cm 2 s −1 = 10 −4 m 2 s −1 .
1 cSt = 1 mm 2 s −1 = 10 −6 m 2 s −1 .

El agua a 20 ° C tiene una viscosidad cinemática de aproximadamente 10 −6 m 2 · s −1 o 1 cSt.

Gas

La viscosidad de los gases se deriva principalmente de la difusión molecular que lleva el impulso entre las diversas capas que fluyen. La teoría cinética de los gases permite realizar predicciones precisas sobre la viscosidad de los gases si se cumplen las siguientes condiciones:

  • La viscosidad es independiente de la presión.
  • La viscosidad aumenta al aumentar la temperatura [9]

Viscosidad de gases perfectos

Debemos a Maxwell en 1866 el estudio del vínculo entre la viscosidad y la teoría cinética de los gases [10] . Para comprender por qué la viscosidad es independiente de la presión, considere dos capas adyacentes (A y B) que se mueven entre sí. La viscosidad del gas está determinada por la probabilidad de que una partícula de la capa A entre en la capa B transfiriendo impulso. El cálculo de Maxwell muestra que la fricción interna es proporcional a la densidad y al camino libre medio , que es inversamente proporcional a la densidad. En consecuencia, un aumento de densidad debido a un aumento de presión no provoca un cambio en la viscosidad.

Demostración

Consideremos el caso de moléculas de un gas ideal, entre dos planos, uno fijo y otro a una distancia d, que se mueve con rapidez u constante. Las partículas de gas de cada capa tienen una velocidad media. (mucho más bajo que la velocidad cuadrática media debido a la agitación térmica), con y variando de 0 y d. La velocidad promedio crece con la distancia desde el plano fijo, por lo que las partículas que de la capa van a la capa transportan impulso y determinan una fuerza de resistencia en la capa superior y una fuerza impulsora (igual y opuesta en el estado inferior). Estas en el gas moléculas por unidad de volumen. El camino libre medio (la distancia promedio que viajan las moléculas) en un gas ideal es:

es el diámetro de colisión que depende de las propiedades microscópicas del gas.

El componente promedio del impulso transportado en la capa superior por la capa inferior (es decir, un ) es igual a:

El término 1/2 depende del hecho de que la mitad de las moléculas de la capa inferior tienen velocidades hacia arriba y la mitad hacia abajo. Además, tenemos que:

por tanto, existe un esfuerzo de frenado tangencial dado por:

Al mismo tiempo, hay un arrastre tangencial debido a la capa superior:

Entonces, la diferencia entre estas dos cantidades es precisamente :

Siempre y cuando es pequeño, puede hacer la expansión de Taylor (descuidando los términos de orden superior y omitiendo la media sobre el símbolo ):

Si se compara con la expresión (1) tenemos que:

Reemplazando un su expresión:

En la teoría cinética de los gases tenemos que:

asi que:

En otras palabras, en los gases perfectos, la viscosidad depende solo de la temperatura: la presión no tiene ningún efecto.

Viscosidad de gases reales

En realidad, en los gases reales, incluso si la dependencia de la presión es insignificante, la dependencia de la viscosidad de la temperatura tiene una dependencia de la temperatura mayor que la de la ecuación (2) aproximadamente dada por:

Para algunos gases, la siguiente tabla obtenida del Manual de Química y Física [11] proporciona los valores de Y :

Gas Viscosidad
Dióxido de carbono 15 0,079 0,92
Argón 22,9 0,197 0,83
Aire 18,6 0,216 0,78
helio 20 0,42 0,66
Etano 9.5 0,060 0,89
Criptón 25,6 0,157 0,89
Hidrógeno 9 0,18 0,68
Metano 11,2 0.104 0,82
Neón 32,1 0,643 0,68
Oxígeno 20,8 0,199 0,81

Liquidos

Un video que muestra tres líquidos con diferentes viscosidades.
Viscosidad del agua en función de la temperatura.

En los líquidos, a diferencia de los gases, la fuerza de unión entre las moléculas nunca es despreciable y esto conduce a una viscosidad más alta que los gases. La viscosidad, excepto en casos de alta presión, es bastante independiente de la presión. Por otro lado, a medida que aumenta la temperatura, la viscosidad disminuye. En cualquier caso, la viscosidad de los líquidos es varios órdenes de magnitud mayor que la de los gases.

Tabla de viscosidad de algunos líquidos:

Líquido Viscosidad (si no se especifica)
Acetona
Benceno
aceite de castor 0,985
Jarabe de maíz 1.3806
Alcohol etílico
Etilenglicol
Glicerina (a 20 ° C) 1.2
Mercurio
Alcohol metílico
Aceite lubricante SAE 10 (20 ° C) 0,065
Aceite lubricante SAE 40 (20 ° C) 0,319
Nitrobenceno
Nitrógeno líquido (−196 ° C 77 K) 0,158
Propanol
Aceite de oliva 0.081
Terreno de juego
Ácido sulfúrico 0,024
Cascada

Viscosidad de los aceites de motor

Icono de lupa mgx2.svg Mismo tema en detalle: Aceite Lubricante , Clasificación Viscosimétrica de Aceites Lubricantes y CentiStokes .

La tabla SAE J300 ( Sociedad de Ingenieros Automotrices ) clasifica los aceites de motor según su viscosidad y sin tener en cuenta otras características del lubricante .

El primer número de la clasificación seguido de la letra "W" ( Invierno ) y el número subsiguiente indican el rango de temperatura externa para el cual ese tipo de aceite mantiene una viscosidad cinemática satisfactoria.

Un "monogrado" se define como un aceite que garantiza un rendimiento único, frío o caliente, indicado en la tabla (por ejemplo: SAE 10W, SAE 20W, SAE 30, SAE 50).

Un "multigrado" se define como un aceite que garantiza el rendimiento tanto a baja temperatura como a alta temperatura (por ejemplo: SAE 5W30, SAE 10W40, SAE 15W50).

La elección de la viscosidad de un lubricante debe realizarse teniendo en cuenta tanto la temperatura mínima de funcionamiento del motor (temperatura de invierno) como la máxima (temperatura de verano): es fundamental elegir un aceite que permanezca suficientemente fluido a baja temperatura para aseguran un arranque fácil, pero que al mismo tiempo aseguran un mantenimiento satisfactorio de la viscosidad cuando el motor está bajo carga.

Otras características fundamentales del lubricante (como resistencia mecánica, antiespumante o resistencia a la temperatura) están en cambio establecidas por las especificaciones internacionales ( API , ACEA , JASO ).

Número de viscosidad SAE -18 ° C, Pl 100 ° C, cSt BPT
min max min max ° C
5W - 1,25 3.8 - -30
10W 1,25 2.5 4.1 - -25
15W 2.5 5,0 4.1 - -20
20W 5,0 10.0 56 - -15
20 . . 5,6 9.3 .
30 . . 9.3 12,5 .
40 . . 12,5 16,3 .
50 . . 16,3 21,9 .

Las viscosidades a -18 ° C se miden en un viscosímetro rotacional ( simulador de arranque en frío ), las de 100 ° C en un viscosímetro capilar. La abreviatura W significa invierno y define la serie de aceites de invierno. BPT: temperatura límite de bombeo.

Índice de viscosidad

Este índice expresa la constancia de la graduación viscosa de un aceite dado a diferentes temperaturas, por lo que cuanto mayor sea este valor, más tiempo permanecerá constante la viscosidad a medida que varíe la temperatura, mientras que cuanto menor sea este valor, mayor será la variación [12] .

Sólidos

Aparato experimental para medir la viscosidad de la brea [13] .

Se encuentra comúnmente que los sólidos amorfos , como el vidrio , tienen viscosidad, basándose en el hecho de que todos los sólidos fluyen imperceptiblemente en respuesta a un esfuerzo cortante (en inglés, esfuerzo cortante). De hecho, el vidrio se puede interpretar como un fluido de muy alta viscosidad (el vidrio no tiene un punto de fusión definido, ya que no posee una estructura cristalina; véase también el calor de fusión ).

Algunos argumentan que la distinción entre sólidos y líquidos no está clara y que los sólidos son simplemente líquidos con una viscosidad alta, típicamente superior a 10 12 Pa s. Los defensores de esta posición a menudo la justifican con la afirmación (generalizada pero falsa) de que el vidrio puede fluir extremadamente lento.

Un ejemplo a este respecto lo representan las antiguas vidrieras decorativas de iglesias y otros edificios históricos. Hace siglos, el procesamiento del vidrio era una actividad casi totalmente manual, por lo que no es de extrañar en absoluto que haya irregularidades en las delgadas placas de colores destinadas a componer las finas ventanas. Hoy en día, los restauradores de arte han notado que los fragmentos de vidrio individuales que componen la ventana tienen una expansión en su base. Una parte delgada en la parte superior y una parte más gruesa en la parte inferior. Para explicar esto, con el tiempo ha surgido la hipótesis de que este fenómeno está provocado por las propiedades del vidrio que, al tener una viscosidad no infinita, a lo largo de los siglos y gracias a la gravedad , se ha "deslizado" como un líquido y por tanto se ha acumulado en la base. , formando un ligero bulto. Esta explicación, aunque parece convincente y plausible, no tiene fundamento para la verdad, ya que sabemos que los maestros vidrieros solían disponer deliberadamente los fragmentos de vidrio imperfectos con el lado pesado hacia abajo, para dar mayor estabilidad a la frágil ventana.

La falsità dell'ipotesi di partenza è stata mostrata anche dal fatto che antichi telescopi , ancora più vecchi delle vetrate stesse, generano ancora oggi immagini perfettamente a fuoco, nonostante le loro delicate ottiche ( lenti e specchi ) in purissimo vetro, siano estremamente sensibili a piccole variazioni nell'allineamento. È noto anche che la viscosità del piombo , materiale che incornicia i vetri, è svariati ordini di grandezza più piccola di quella del vetro, quindi anche se il vetro fosse “scivolato” verso il basso anche solo di un pochino, il piombo avrebbe dovuto “sciogliersi” e praticamente trasformarsi in una pozzanghera ai piedi della vetrata.

Anche se molti solidi fluiscono, quando sottoposti a sforzi elevati, essi sono caratterizzati dal loro comportamento a basso sforzo. La viscosità può essere un'appropriata caratteristica dei solidi in regime plastico .

Questo uso del termine viscosità può generare confusione quando usato in relazione a certi materiali solidi, come i materiali di Maxwell , per descrivere la relazione tra sforzo e velocità di variazione della tensione piuttosto che della velocità di taglio.

Queste distinzioni possono essere in gran parte risolte considerando le equazioni costitutive del materiale in questione, che tengono conto del suo comportamento viscoso ed elastico.

I materiali che sono importanti per la loro viscosità ed elasticità, entro un particolare intervallo di valori di deformazione e di rapidità di deformazione, sono chiamati viscoelastici .

I materiali che esibiscono una deformazione viscosa almeno tre volte maggiore della loro deformazione elastica sono chiamati a volte reidi. Un esempio di solido che fluisce, che è stato osservato dal 1927 , è la pece, usata ad esempio nell' esperimento della goccia di pece , cioè un esperimento che misura il percolo di un pezzo di pece negli anni. La pece fluisce a temperatura ambiente sebbene molto lentamente.

Viscosità del calcestruzzo

Calcestruzzo fresco. Esso ha viscosità intermedia tra quella di un solido e quella di un liquido.

Nell'ambito dell'ingegneria delle strutture si definisce con il termine scorrimento viscoso (in inglese creep e in francese fluage ) il fenomeno per cui in una struttura realizzata in calcestruzzo , libera di deformarsi e in condizioni di carico esterno di compressione costante, dopo le deformazioni istantanee elastiche, sviluppa deformazioni differite nel tempo.

Tale fenomeno fa sì che la variabile "tempo" appaia nelle equazioni costitutive del materiale ed è dovuto al fatto che il calcestruzzo dal punto di vista reologico presenta un comportamento viscoelastico , cioè intermedio tra il comportamento elastico (proprio dei solidi) e del comportamento viscoso (proprio dei liquidi).

Per bassi valori di carico applicato e considerando un tempo di osservazione abbastanza breve (durante il quale permangono tali tensioni), il comportamento reologico del calcestruzzo può definirsi elastico lineare.

Dato un parallelepipedo di calcestruzzo, applicando su di esso una forza di compressione esso entrerà in tensione , e subirà un accorciamento istantaneo che è da attribuirsi alla componente elastica della viscosità ( viscosità elongazionale , dall'inglese elongational viscosity ). Se poi viene lasciata invariata nel tempo la forza sull'oggetto, senza rimuoverla né variarla d'intensità, lo stato tensionale rimarrà invariato, e avendo comportamento viscoso si potrà vedere invece che continueranno a registrarsi accorciamenti, ossia l'oggetto continua a deformarsi. Tali deformazioni sono legate alla componente puramente viscosa della viscosità ( viscosità di taglio , dall'inglese shear viscosity ). Se dopo avere avuto anche le deformazioni viscose si rimuove il carico si osserva che le deformazioni elastiche non verranno recuperate totalmente, poi nel tempo si vedrà anche il recupero di una parte delle deformazioni viscose. Questo parziale recupero delle deformazioni è dovuto all'irrigidimento del materiale nel corso del tempo in cui è stato sottoposto a carico. Si osserva così un materiale più resistente, rispetto al parallelepipedo iniziale.

Fattori che influenzano il fenomeno

La viscosità nel calcestruzzo è dovuta a vari fattori, tra cui:

  • stato del conglomerato
    • caratteristiche meccaniche
    • livello di tensioni presenti
    • età del conglomerato all'atto della messa in carico
  • ambiente di maturazione :
  • geometria dell'elemento
    • superficie specifica a contatto con l'ambiente esterno. [14]

Deformazione viscosa

Le normative di riferimento fanno dipendere le deformazioni viscose dal coefficiente di viscosità Φ(t ,t o ) dipendente dai fattori di cui sopra.

L'Eurocodice 2 e il DM 14 gennaio 2008 se lo stato di tensione del calcestruzzo all'istante t o di messa in carico risulta < 45% f ck propongono la teoria lineare della viscosità per la quale la deformazione viscosa è data dalla seguente relazione lineare:

  • ε v = Φ(t ,t o ) ε e

dove:

  • t o = età del calcestruzzo all'applicazione del carico
  • ε e = deformazione istantanea elastica.

Note

  1. ^ Il termine "coefficiente di scambio di quantità di moto" fa riferimento all'analogia esistente nell'ambito dei fenomeni di trasporto tra quest'ultimo ei coefficienti di scambio termico e di scambio di materia .
  2. ^ Silvestroni , p. 201 .
  3. ^ ( EN ) IUPAC Gold Book, "fluidity"
  4. ^ Denis J. Evans e Gary P. Morriss, Transient-time-correlation functions and the rheology of fluids , in Physical Review A , vol. 38, 1988, pp. 4142–4148, Bibcode : 1988PhRvA..38.4142E , DOI : 10.1103/PhysRevA.38.4142 , PMID 9900865 .
  5. ^ Denis J. Evans e Gary P. Morriss, Transient-time-correlation functions and the rheology of fluids , in Physical Review A , vol. 38, 1988, pp. 4142–4148, Bibcode : 1988PhRvA..38.4142E , DOI : 10.1103/PhysRevA.38.4142 , PMID 9900865 .
  6. ^ ( EN ) IUPAC Gold Book, "kinematic viscosity"
  7. ^ Tabella viscosità cinematica di alcuni fluidi a diverse temperature , su engineerplant.it .
  8. ^ Viscosity ( PDF ), su byk.com , BYK-Gardner. URL consultato il 3 dicembre 2017 (archiviato dall' url originale il 12 maggio 2013) .
  9. ^ Glenn Elert, The Physics Hypertextbook – Viscosity , su physics.info .
  10. ^ JC Maxwell, On the viscosity or internal friction of air and other gases , in Philosophical Transactions of the Royal Society of London , vol. 156, 1866, pp. 249–268, DOI : 10.1098/rstl.1866.0013 .
  11. ^ CRC Handbook of Chemistry and Physics,75th edizione, p6-239
  12. ^ Requisiti e proprietà dei lubrificanti , su eni.com , Eni. URL consultato il 3 settembre 2019 .
  13. ^ R. Edgeworth, BJ Dalton e T. Parnell, The pitch drop experiment , in European Journal of Physics , vol. 1984, 1984, pp. 198–200.
  14. ^ h o =2A c /u dove: h o = dimensione fittizia; A c = area della sezione del conglomerato; u = perimetro della sezione di conglomerato a contatto con l'atmosfera

Bibliografia

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

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