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martedì, 20 Ottobre, 2020

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Vivere in un mondo non newtoniano, cos’è la Reologia?

Cosa mette in relazione la lava ed il ketchup? Entrambi presentano le caratteristiche tipiche di un fluido non-newtoniano e la chiave di lettura comune sta in un ramo della scienza chiamato Reologia

Il mondo che ci circonda è tutt’altro che semplice. Spesso pensiamo di poter descrivere i fenomeni che osserviamo con i concetti appresi nei corsi di fisica di base, per poi ricordarci che era tutto basato su una serie di ipotesi semplificative. Per quanto riguarda i fluidi, la scienza che si occupa dei loro comportamenti non ideali si chiama Reologia e riesce ad accomunare tra loro una serie di fenomeni che possiamo osservare nei polimeri fusi, nella lava, nelle schiume e nel dentifricio.

Il termine Reologia deriva dal greco -reo, ossia “scorrere” e -logos “discorso, teoria”. Tramite essa si studiano i comportamenti dei materiali che non possono essere classificati semplicemente nella dicotomia “solido” e “liquido”, ma presentano caratteristiche in comune con entrambi gli estremi e sono per questo definiti viscoelastici.

Polimeri plastiche reologia

Cosa vuol dire che un materiale è elastico? E un fluido viscoso?

In generale definiamo elastici quei materiali che, quando vengono sottoposti a una tensione (ossia una forza per unità di superficie), subiscono una deformazione proporzionale alla tensione stessa e che, una volta interrotta, recuperano completamente la sua forma iniziale.
Tale legge di proporzionalità può essere descritta dalla seguente equazione:

σ=Gε

Dove σ è lo sforzo di taglio, G rappresenta il modulo elastico ε è la deformazione.
Per quanto riguarda invece i fluidi newtoniani, si instaura una relazione lineare tra la tensione e la “shear rate”, cioè la deformazione del materiale in un determinato arco di tempo. La costante di proporzionalità è detta viscosità.

Ma dunque, una volta capito cosa sono i materiali elastici e quelli viscosi, gli oggetti che ci circondano in quale delle due definizioni ricadono? Nessuna delle due. La verità è che sarebbe difficile trovare qualcosa di puramente elastico o puramente viscoso. Una grande porzione di ciò che ci circonda è viscoelastico e, a complicare ulteriormente le cose, la viscosità non è quasi mai una costante ma può assumere anch’essa comportamenti, in un certo senso, strani.

Quando incontri la Reologia durante la tua giornata?

Suona la sveglia, un’altra giornata all’università, il primo incontro con la reologia possiamo averlo già dopo pochi minuti: recandoci in bagno per lavarci i denti, spalmiamo senza farci troppo caso il dentifricio sullo spazzolino, vi siete mai chiesti perché se rovesciamo il barattolo il contenuto non scorra mentre se applichiamo la giusta pressione inizia a fluire come un liquido viscoso?

Dentifricio fluido non newtoniano

Questo tipo di fluidi sono catalogati come Fluidi di Bingham e si comportano come solidi (il dentifricio sul vostro spazzolino non scorre se lo capovolgete) fino al raggiungimento di una certa soglia limite oltre la quale iniziano a scorrere come un liquido.

Successivamente, vi dirigete in cucina e decidete di preparare un sandwich da mangiare a metà giornata. Tra i vari ingredienti aggiungete la maionese. Forse non ci avete mai pensato ma per far si che l’olio contenuto nella maionese non si separi, sono necessarie delle tecniche di miscelazione che creino delle goccioline di olio sospese che non si uniscano tra loro in gocce più grandi (almeno fino alla data di scadenza indicata). Il composto ottenuto si chiama emulsione e le sue caratteristiche in termini di viscosità dipendono molto dalle interazioni tra i suoi componenti.

Fatto ciò vi mettete in macchina per andare al lavoro o all’università. Avete mai notato che, rispetto ad altri tipi di gomme, gli pneumatici della vostra macchina sono particolarmente resistenti all’abrasione? (per ovvi motivi tecnici tra l’altro). Questa caratteristica meccanica è garantita dal fatto che gli pneumatici sono composti da una sospensione ottenuta miscelando la gomma vulcanizzata con una percentuale variabile di carbon black. Il materiale che si produce non è la semplicemente somma delle sue componenti, ma riesce a prendere il meglio da entrambe, regalandovi una gomma performante che vi permette di guidare in tutta sicurezza.

Una volta finite le lezioni, prima di pranzo, ci disinfettiamo le mani e possiamo scegliere di usare un gel, che anche in questo caso rappresenta un fluido non comune, o utilizzando accuratamente acqua e sapone. Indovinate un po’? Anche usare un sapone liquido significa scegliere un fluido complesso la cui viscosità varia considerevolmente con la quantità di acqua che usiamo.

Dunque, è tutto qui?

Certamente no, la storia è ancora più lunga è complessa di quanto possa essere descritto in un semplice articolo: rossetti, schiume, farmaci, vernici e la lista è dei fluidi non-newtoniani che ci circondano è ancora molto lunga. Forse pensare all’enorme complessità del mondo potrebbe spaventare, ma riconoscere che le cose sono più complesse di come appaiono è il primo passo per comprenderle e la reologia è un’ottima alleata durante questo lungo processo.

Articolo a cura di Carmine Schiavone.

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  • Christopher W. Macosko – Rheology: Principles, Measurements, and Applications

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