Fluidi

Fluidi

Sostanze le cui molecole hanno scarsa coesione e possono scorrere liberamente le une sulle altre (liquidi) o spostarsi indipendentemente le une dalle altre (gas) in modo che il corpo prenda la forma del recipiente che lo contiene.

Con la denominazione generale di fluido si indicano i corpi allo stato liquido o gassoso; questi corpi godono di proprietà comuni, ad es. soddisfano al principio di Archimede, al principio di Pascal, ecc. La differenza principale fra liquidi e gas sta nella più elevata compressibilità dei secondi rispetto ai primi; inoltre i liquidi sono molto più densi e dotati di coefficienti di dilatazione e compressibilità ampiamente variabili (contrariamente a quanto si osserva nei gas) con la loro composizione.

Nei liquidi le distanze intermolecolari sono dello stesso ordine di grandezza del raggio molecolare e la compressibilità è molto bassa; i gas, in condizioni normali, presentano distanze intermolecolari molto maggiori del raggio molecolare, e si possono quindi comprimere facilmente.

L'applicazione delle leggi generali della meccanica ai fluidi, considerati come mezzi continui deformabili, costituisce la meccanica dei fluidi. Essa comprende la fluidostatica e la fluidodinamica, che trattano rispettivamente i problemi di equilibrio e di movimento dei fluidi. In particolare le proprietà statiche e dinamiche dei fluidi incompressibili sono trattate dall'idrostatica e dall'idrodinamica, mentre la statica e la dinamica dei gas e fluidi compressibili sono studiate dall'aerostatica e dalla gasdinamica. In particolare il moto dell'aria e dei gas nei condotti e i fenomeni relativi ai corpi in movimento nell'aria sono trattati dall'aerodinamica

Le prime teorie riguardanti il movimento dei liquidi sono opera relativamente antica: i lavori di Daniel Bernoulli, pubblicati nel 1738, trattano del movimento dei liquidi nei condotti e nei canali. Al principio del XIX sec. Cauchy, Navier, Stokes, grazie ai progressi dell'analisi matematica, stabilirono i primi fondamenti scientifici della meccanica dei fluidi. Sino alla fine del   XIXsec. le applicazioni di tali risultati scientifici restarono limitate, e l'idraulica fece uso quasi esclusivamente di metodi empirici: leggi di carattere sperimentale sulla resistenza al movimento dell'acqua nei canali, nei fiumi e nelle condotte, furono determinate da Chézy, Bazin e Reynolds. La sintesi tra i dati dell'esperienza e i risultati teorici fu opera di Reynolds e Rayleigh in Inghilterra; di Helmholtz e soprattutto di Prandtl in Germania. Con la nascita dell'aviazione, la meccanica dei fluidi accelerò il suo progresso con la formulazione dei princìpi dell'aerodinamica, a opera soprattutto di Zukovskij, Prandtl, Eiffel, Blasius, Kármán, Mach. Infine il volo a velocità sempre maggiori ha condotto alla creazione dell'aerodinamica supersonica. La meccanica dei fluidi si associa alla termodinamica nello studio del movimento dei fluidi in fase gassosa, con o senza sviluppo di calore, nelle macchine termiche, nei compressori, nelle turbine, nei propulsori a reazione per aeroplani o macchine: si parla allora di aerotermodinamica. La meccanica dei fluidi si associa anche alla chimica, nell'analisi del movimento dei gas in relazione alle reazioni chimiche che vi avvengono, ad esempio nella teoria della combustione. La magnetofluidodinamica studia i movimenti dei mezzi gassosi conduttori in presenza di campi magnetici: questa scienza, che all'inizio interessava solo l'astrofisica, ha ora assunto un'enorme importanza negli studi di fisica spaziale e nella fisica del plasma. Infine, si chiama superaerodinamica la scienza che studia il movimento di corpi in gas molto rarefatti, come quelli che si trovano nelle zone elevate dell'atmosfera. In tali condizioni non è più accettabile l'ipotesi della continuità del fluido perché la distanza media percorsa da una molecola tra due urti successivi (molto piccola in condizioni normali di temperatura e di pressione) è paragonabile alle dimensioni dei corpi in esame.

Le equazioni generali della meccanica dei fluidi non possono essere risolte che in casi particolarmente semplici; infatti la presenza di ostacoli dalla forma complicata, anche quando si conoscono esattamente i dati relativi al sistema dei corpi presenti in un certo istante, può rendere necessaria l'introduzione di schematizzazioni troppo radicali del problema. Si ricorre allora a prove sperimentali, eseguite generalmente su un modello che riproduce in scala ridotta le condizioni fisiche che si vogliono studiare; l'andamento del fenomeno reale si deduce quindi applicando le leggi della similitudine meccanica. Le apparecchiature sperimentali sono essenzialmente di due categorie: quelle in cui il fluido è messo in movimento e l'ostacolo resta fisso e quelle in cui avviene il contrario. Alla prima categoria appartengono i tunnel aerodinamici o gallerie del vento e i canali idrodinamici; la seconda comprende le macchine aerodinamiche e i bacini di carenaggio. L'esperienza su modelli lanciati dall'aereo o autopropulsi rientra in questa ultima categoria.