In fisica, il flusso di fluido ha tutti i tipi di aspetti — costante o instabile, comprimibile o incomprimibile, viscoso o non viscoso, e rotazionale o irrotazionale, per citarne alcuni. Alcune di queste caratteristiche riflettono le proprietà del liquido stesso, e altri si concentrano su come il fluido si muove.
Si noti che il flusso del fluido può diventare molto complesso quando diventa turbolento. I fisici non hanno sviluppato equazioni eleganti per descrivere la turbolenza perché il modo in cui funziona la turbolenza dipende dal singolo sistema, dal fatto che l’acqua passi a cascata attraverso un tubo o dall’aria che fuoriesce da un motore a reazione. Di solito, è necessario ricorrere ai computer per gestire i problemi che coinvolgono la turbolenza del fluido.
Uniformità del fluido: flusso costante o instabile
Il flusso del fluido può essere costante o instabile, a seconda della velocità del fluido:
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Calma. Nel flusso di fluido costante, la velocità del fluido è costante in qualsiasi punto.
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Instabile. Quando il flusso è instabile, la velocità del fluido può differire tra due punti qualsiasi.
Ad esempio, supponiamo che tu sia seduto a fianco di un ruscello e noti che il flusso d’acqua non è costante: vedi vortici e risucchi e tutti i tipi di vortici. Immagina i vettori di velocità per cento punti nell’acqua e ottieni una buona immagine del flusso instabile: i vettori di velocità possono puntare su tutta la mappa, anche se i vettori di velocità generalmente seguono il flusso medio complessivo del flusso.
Comprimibilità del fluido: Flusso comprimibile o incomprimibile
Il flusso del fluido può essere comprimibile o incomprimibile, a seconda che sia possibile comprimere facilmente il fluido. I liquidi sono solitamente quasi impossibili da comprimere, mentre i gas (considerati anche un fluido) sono molto comprimibili.
Un sistema idraulico funziona solo perché i liquidi sono incomprimibili — cioè, quando si aumenta la pressione in una posizione nel sistema idraulico, la pressione aumenta per adattarsi ovunque nell’intero sistema. I gas, d’altra parte, sono molto comprimibili — anche quando il pneumatico della tua bici è allungato al limite, puoi comunque pompare più aria in esso spingendo verso il basso lo stantuffo e schiacciandolo.
Spessore fluido: flusso viscoso o non viscoso
Il flusso liquido può essere viscoso o non viscoso. Viscosità è una misura dello spessore di un fluido, e fluidi molto gloppy come olio motore o shampoo sono chiamati fluidi viscosi.
La viscosità è in realtà una misura dell’attrito nel fluido. Quando un fluido scorre, gli strati di fluido si sfregano l’uno contro l’altro, e in fluidi molto viscosi, l’attrito è così grande che gli strati di flusso si tirano l’uno contro l’altro e ostacolano quel flusso.
La viscosità varia solitamente con la temperatura, perché quando le molecole di un fluido si muovono più velocemente (quando il fluido è più caldo), le molecole possono scivolare più facilmente l’una sull’altra. Quindi, quando si versa lo sciroppo di pancake, ad esempio, si può notare che è molto spesso nella bottiglia, ma lo sciroppo diventa piuttosto freddo quando si diffonde sui pancake caldi e si riscalda.
Filatura fluida: Flusso rotazionale o irrotazionale
Il flusso del fluido può essere rotazionale o irrotazionale. Se, mentre viaggi in un ciclo chiuso, sommate tutti i componenti dei vettori di velocità del fluido lungo il percorso e il risultato finale non è zero, il flusso è rotazionale.
Per verificare se un flusso ha un componente rotazionale, è possibile inserire un piccolo oggetto nel flusso e lasciare che il flusso lo porti. Se l’oggetto piccolo gira, il flusso è rotazionale; se l’oggetto non gira, il flusso è irrotazionale.
Ad esempio, guarda l’acqua che scorre in un ruscello. Si vortica intorno pietre, curling intorno agli ostacoli. In tali posizioni, il flusso d’acqua ha una componente rotazionale.
Alcuni flussi che potresti pensare siano rotazionali sono in realtà irrotazionali. Ad esempio, lontano dal centro, un vortice è in realtà un flusso irrotazionale! Si può vedere questo se si guarda l’acqua che scorre dalla vasca da bagno. Se si posiziona un piccolo oggetto galleggiante nel flusso, gira intorno al foro del tappo, ma non gira su se stesso; pertanto, il flusso è irrotazionale.
D’altra parte, i flussi che non hanno rotazione apparente possono effettivamente essere rotazionali. Prendi un flusso di taglio, per esempio. In un flusso di taglio, tutto il fluido si muove nella stessa direzione, ma il fluido si muove più velocemente su un lato. Supponiamo che il fluido si muova più velocemente a sinistra che a destra. Il fluido non si muove affatto in un cerchio, ma se si posiziona un piccolo oggetto galleggiante in questo flusso, il flusso sul lato sinistro dell’oggetto è leggermente più veloce, quindi l’oggetto inizia a girare. Il flusso è rotazionale.