Viscosità

Viscosità misura la resistenza di un fluido allo scorrimento. Alta viscosità significa denso e lento (miele, melassa); bassa viscosità significa fluido e scorrevole (acqua, alcol). La parola comune “denso” conflate diverse proprietà; la viscosità isola specificamente la resistenza al taglio. Due barattoli di vernice con densità e pigmento identici possono avere viscosità radicalmente diverse a seconda del sistema legante.

Unità

• Pascal-secondo (Pa·s) — l’unità SI. L’acqua a 20°C è 0,001 Pa·s.
• Poise (P) o centipoise (cP) — unità cgs. 1 cP = 1 mPa·s. L’acqua a 20°C è 1 cP, il che la rende il valore di riferimento naturale. La viscosità industriale è quasi sempre citata in cP.
• Saybolt Universal Seconds (SUS) — unità industriale empirica, comune nelle specifiche di oli e lubrificanti. Un tempo di drenaggio, non una proprietà fondamentale; la conversione in cP è approssimativa e dipende dalla densità.

Viscosità di riferimento (cP, a 20°C se non indicato)

• Aria: 0,018
• Acqua: 1,0 (per convenzione)
• Latte: 3
• Olio d’oliva: 84
• Olio motore (10W-30, freddo): 100-200
• Sciroppo d’acero: 200
• Glicerina: 1.400
• Miele: 10.000
• Ketchup: 50.000-100.000 (shear-thinning — la viscosità diminuisce quando viene agitato)
• Melassa: 100.000
• Burro di arachidi: ~250.000
• Pece: 230 miliardi (famosa per il gocciolamento nel Pitch Drop Experiment, iniziato nel 1927; sono cadute solo ~9 gocce)

Dipendenza dalla temperatura

La viscosità diminuisce bruscamente con la temperatura per i liquidi — il miele direttamente dal frigorifero è ingestibilmente denso; il miele riscaldato scorre come sciroppo. Ecco perché l’olio motore ha classificazioni “multigrade” (5W-30, 10W-40, ecc.): il numero W (winter, inverno) si riferisce alla viscosità a bassa temperatura, il secondo numero a quella ad alta temperatura. Un 5W-30 rimane scorrevole all’avviamento a freddo (basso valore W freddo = viscosità a freddo inferiore) e mantiene lo spessore del film protettivo alla temperatura di esercizio (30 = viscosità a caldo appropriata).

La viscosità dei gas, contro-intuitivamente, aumenta con la temperatura — il contrario dei liquidi. Il meccanismo è diverso: in un liquido, la viscosità deriva dalle forze intermolecolari che si indeboliscono quando le molecole si muovono più velocemente; in un gas, la viscosità deriva dal trasferimento di quantità di moto tra strati, che aumenta con la velocità molecolare.

Fluidi newtoniani vs non newtoniani

La maggior parte dei liquidi semplici (acqua, olio, miele) sono newtoniani: la viscosità è costante indipendentemente dalla velocità di agitazione. Molti fluidi del mondo reale non lo sono. Il ketchup è shear-thinning: la viscosità diminuisce sotto sforzo di taglio (ecco perché agitare la bottiglia aiuta). La sospensione di amido di mais (“oobleck”) è shear-thickening: colpiscila e agisce come un solido, siediti e affondi. Sangue, vernice, magma e la maggior parte delle sospensioni industriali sono in qualche misura non newtoniani.

Esempio pratico

Calcolare la caduta di pressione su una lunghezza di 10 metri di tubo orizzontale che trasporta un fluido viscoso. Usare l’equazione di Hagen-Poiseuille per il flusso laminare: ΔP = (8 · μ · L · Q) / (π · r⁴), dove μ è la viscosità dinamica, L = lunghezza del tubo, Q = portata volumetrica, r = raggio del tubo. Per l’acqua (μ = 0,001 Pa·s), raggio 1 cm, lunghezza 10 m, portata 1 L/min (1,67×10⁻⁵ m³/s): ΔP = (8 × 0,001 × 10 × 1,67e−5) / (π × (0,01)⁴) ≈ 42,5 Pa — trascurabile. Passando all’olio motore a 0,2 Pa·s (200× più viscoso) con la stessa portata la caduta di pressione diventa 8.500 Pa, richiedendo una pompa che l’acqua non richiedeva. Passando al miele a 10 Pa·s si ha bisogno di 425 kPa (4,2 bar) — a quel punto si ridisegna il sistema con un tubo più largo, perché la dipendenza alla quarta potenza dal raggio significa che raddoppiare r riduce ΔP di 16×.

Quando e perché è importante

La viscosità guida il dimensionamento delle apparecchiature nella lavorazione chimica, la calibrazione degli iniettori di carburante nei motori, la selezione del grado di olio nei climi freddi (un 5W-30 rimane scorrevole a −30°C; un 20W-50 diventa melassa e stressa la pompa dell’olio all’avviamento), la stampabilità degli inchiostri e dei filamenti per stampanti 3D, la verniciabilità dei rivestimenti (troppo bassa = gocce, troppo alta = segni di pennello) e persino l’ingegnerizzazione del “mouthfeel” delle bevande (la differenza tra latte intero e scremato al palato è in gran parte viscosità, non sapore). Medicina: la viscosità del sangue è monitorata in ematologia perché il sangue ad alta viscosità (policitemia, sindromi da iperviscosità) aumenta il rischio di ictus tramite riduzione della microcircolazione. Riferimento: ISO 3104 — Prodotti petroliferi: Determinazione della viscosità cinematica.