Argomenti Fisica tecnica

1. Equazione dell'energia meccanica

L'equazione dell'energia meccanica integra i principi della termodinamica:

• 1° Principio (conservazione dell'energia): bilancio energetico tra lavoro, calore e variazioni di energia interna.
• 2° Principio (entropia): limite alla conversione di energia.

È indipendente da entrambi i principi, quindi può essere usata con il 1° principio per:

• Calcolare il calore scambiato.
• Determinare le variazioni di temperatura.

2. Comportamento dei fluidi e viscosità

Quando un corpo si muove su un piano orizzontale con uno strato di fluido interposto:

• È necessaria una forza costante F per mantenere il moto uniforme.
• Il fluido esercita una forza uguale e contraria −F, chiamata forza di attrito viscoso.

Ipotesi di aderenza fluido-parete

• Lo strato di fluido in contatto diretto con il corpo o con la parete assume la stessa velocità della superficie.
• Questa condizione vale in molti casi, eccetto:
• Canali sottili.
• Superfici particolari (ad esempio, superidrofobiche).

Classificazione della viscosità

• Fluido newtoniano: la viscosità è costante e il comportamento è descritto dalla legge di Newton:

tau = mu ^du/_dy

Dove:

• tau e lo sforzo di taglio.
• mu e la viscosita dinamica.
• ^du/_dy e il gradiente di velocita.

3. Fluidi non newtoniani

Nei fluidi non newtoniani, la relazione tra lo sforzo di taglio tau e il gradiente di velocita non segue la legge di Newton.

Tipologie principali:

1. Pseudoplastici:

   • La viscosita diminuisce con il gradiente di velocita.
   • Esempio: vernici, ketchup.

2. Dilatanti:

   • La viscosita aumenta con il gradiente di velocita.
   • Esempio: amido in acqua.

3. Viscoelastici:

   • Combinano caratteristiche viscose (flusso) ed elastiche (recupero di forma).
   • Esempio: polimeri, gomma.

4. Tixotropici:

   • La viscosita diminuisce nel tempo sotto uno sforzo costante.

Esempio: gel di pittura.

5. Reopectici:

• La viscosita aumenta nel tempo sotto uno sforzo costante.
• Esempio: alcune soluzioni saline.

4. Regimi di moto: laminare e turbolento

Moto laminare:

• Il fluido scorre in strati paralleli senza mescolarsi.
• Un colorante rimane visibile senza dispersione.
• Si verifica a bassi numeri di Reynolds (Re < 2000).

Moto turbolento:

• Il fluido si muove in maniera caotica, con vortici e mescolamento.
• Un colorante si disperde rapidamente.
• Si verifica a alti numeri di Reynolds (Re > 4000).

Zona di transizione:

• Intermedia tra laminare e turbolento (2000 < Re < 4000).
• Comportamento instabile e difficile da prevedere.

Rugosita delle pareti:

• Qualsiasi condotto presenta asperita superficiali:
• La rugosita e descritta dal parametro e, che rappresenta l'altezza media delle asperita.

Incide maggiormente nei regimi turbolenti.

5. Numero di Reynolds e fattore di attrito

Numero di Reynolds (Re):

Re = (p · u · D) / mu

Dove:

• rho: densita del fluido.
• u: velocita media.
• D: diametro equivalente del condotto.
• mu: viscosita dinamica.

Interpretazione:

• Re < 2000: moto laminare.
• Re > 4000: moto turbolento.
• 2000 < Re < 4000: transizione.

Formule per il fattore di attrito:

1. Colebrook (1939):

• Precisa, ma richiede calcoli iterativi.

2. Moody (1947):

• Più semplice, ma meno accurata.

3. Churchill (1977):

• Applicabile a tutti i regimi, inclusa la transizione.

6. Applicazioni pratiche

1. Conduttura tra due serbatoi:

• Equazione di Bernoulli e bilancio energetico per determinare:
• Portata stazionaria (Q).
• Effetti delle perdite di carico.

1. Circuito di riscaldamento:

• Identificazione della potenza necessaria per la pompa.
• Suddivisione del sistema in tratti con una sola entrata e uscita.

1. Misure di portata e velocita:

• Utilizzo di strumenti come il tubo di Pitot e venturimetri.

7. Velocita del suono nei fluidi

• La velocita del suono (c) dipende dalle proprieta del fluido: