Flusso del fluido laminare e turbolento: descrizione, caratteristiche e fatti interessanti

L'idrodinamica è la parte più importante della fisica, che studia le leggi del moto fluido a seconda delle condizioni esterne. Un problema importante che viene considerato in idrodinamica è la questione di determinare il flusso laminare e turbolento di un fluido.

Cos'è un liquido?

Per comprendere meglio il problema del flusso laminare e turbolento di un fluido, è necessario iniziare a considerare che cos'è questa sostanza.

Il fluido in fisica è uno dei 3 stati aggregativi della materia, che in determinate condizioni è in grado di mantenere il suo volume, ma che, se esposto a forze tangenziali minime, cambia forma e inizia a fluire. In contrasto con un corpo solido, in un liquido non ci sono forze di resistenza all'influenza esterna, che cercherebbero di recuperare la sua forma originale. Il liquido si differenzia dai gas in quanto è in grado di mantenere il suo volume a una pressione e a una temperatura esterne costanti.

Parametri che descrivono le proprietà dei liquidi

La questione del flusso laminare e turbolento è determinata, da un lato, dalle proprietà del sistema in cui viene considerato il movimento del fluido e, dall'altro, dalle caratteristiche di una sostanza fluida. Diamo le proprietà di base dei liquidi:

• Densità. Qualsiasi fluido è omogeneo, quindi per le sue caratteristiche utilizzare questa quantità fisica, riflettendo la quantità di massa di una sostanza fluida, che cade sul suo volume unitario.
• Viscosità. Questo valore caratterizza l'attrito che si verifica tra diversi strati di fluido nel corso del suo flusso. Poiché nei liquidi l'energia potenziale delle molecole è approssimativamente uguale alla loro energia cinetica, causa la presenza di una certa viscosità in qualsiasi sostanza fluida reale. Questa proprietà dei liquidi è la causa della perdita di energia nel corso del loro flusso.
• Compressibilità. Con un aumento della pressione esterna, ogni sostanza fluida diminuisce il suo volume, tuttavia, per i liquidi questa pressione deve essere abbastanza elevata da ridurre leggermente il volume occupato da essi, quindi per la maggior parte dei casi pratici questo stato aggregativo è considerato incomprimibile.
• Tensione superficiale Questo valore è determinato dal lavoro che deve essere speso per formare una superficie unitaria del liquido. L'esistenza di tensione superficiale dovuta alla presenza di forze di interazione intermolecolari nei liquidi e determina le loro proprietà capillari.

Flusso laminare

Studiando la questione del flusso turbolento e laminare, consideriamo prima quest'ultimo. Se per il fluido che si trova nel tubo, per creare una differenza di pressione alle estremità di questo tubo, allora inizierà a fluire. Se il flusso di una sostanza è calmo e ogni suo strato si muove lungo una traiettoria regolare che non interseca le linee di movimento degli altri strati, allora parliamo di un regime di flusso laminare. Durante questo, ogni molecola di fluido si muove lungo un tubo lungo un percorso specifico.

Le caratteristiche del flusso laminare sono le seguenti:

• La miscelazione tra i singoli strati di una sostanza fluida non esiste.
• Gli strati più vicini all'asse del tubo si spostano con maggiore velocità rispetto a quelli situati sulla sua periferia. Questo fatto è dovuto alla presenza di forze di attrito tra le molecole del liquido e la superficie interna del tubo.

Un esempio di flusso laminare sono getti paralleli di acqua che fuoriescono dalla doccia. Se alcune gocce di colorante vengono aggiunte al flusso laminare, è possibile vedere come vengono aspirate nel getto, che continua il suo flusso regolare senza essere miscelato nel volume del liquido.

Flusso turbolento

Questa modalità è fondamentalmente diversa da quella laminare. Il flusso turbolento è un flusso caotico in cui ciascuna molecola si muove lungo una traiettoria arbitraria, che può essere prevista solo nel momento iniziale. Questa modalità è caratterizzata da turbolenza e movimenti circolari di piccoli volumi nel flusso del fluido. Tuttavia, nonostante la casualità delle traiettorie delle singole molecole, il flusso totale si muove in una certa direzione e questa velocità può essere caratterizzata da un determinato valore medio.

Un esempio di flusso turbolento è il flusso di acqua in un fiume di montagna. Se lasci cadere la tintura in un tale flusso, puoi vedere che nel momento iniziale apparirà un getto, che inizierà a sperimentare distorsioni e lievi torsioni, e poi scomparirà, mescolando l'intero volume del liquido.

Cosa determina il flusso del fluido?

I regimi di flusso laminare o turbolento dipendono dal rapporto tra due quantità: la viscosità di una sostanza fluida, che determina l'attrito tra gli strati del fluido e le forze inerziali, che descrivono la velocità del flusso. La sostanza più viscosa e più lenta la sua portata, maggiore è la probabilità di un flusso laminare. Al contrario, se la viscosità di un fluido è bassa e la sua velocità è alta, allora il flusso sarà turbolento.

Di seguito è riportato un video che spiega chiaramente le caratteristiche delle modalità considerate di flusso della sostanza.

Come determinare la modalità di flusso?

Per la pratica, questa domanda è molto importante, poiché la risposta ad essa è legata alle peculiarità del movimento di oggetti in un mezzo fluido e alla grandezza delle perdite di energia.

La transizione tra i regimi laminare e turbolento del flusso di fluido può essere stimata utilizzando i cosiddetti numeri di Reynolds. Sono una grandezza senza dimensioni e prendono il nome dal nome dell'ingegnere e fisico irlandese Osborne Reynolds, che alla fine del XIX secolo suggerì di usarli per determinare in pratica il modo di movimento di una sostanza fluente.

Il numero di Reynolds (flusso laminare e turbolento di un fluido in un tubo) può essere calcolato utilizzando la seguente formula: Re = ρ * D * v / μ, dove ρ e μ sono la densità e la viscosità della sostanza, rispettivamente v è la sua portata media, D è il diametro pipe. Nella formula, il numeratore riflette le forze o il flusso inerziale e il denominatore determina la forza di attrito o la viscosità. Da ciò possiamo concludere che se il numero di Reynolds per il sistema in esame è ampio, significa che il fluido scorre nella modalità turbolenta e viceversa, i numeri di Reynolds piccoli indicano l'esistenza di un flusso laminare.

Valori specifici dei numeri di Reynolds e loro uso

Come menzionato sopra, il numero di Reynolds può essere utilizzato per determinare il flusso laminare e turbolento. Il problema è che dipende dalle caratteristiche del sistema, ad esempio, se il tubo presenta delle irregolarità sulla sua superficie interna, allora il flusso turbolento dell'acqua in esso inizierà a portate inferiori rispetto a quelle lisce.

Le statistiche di molti esperimenti hanno dimostrato che, indipendentemente dal sistema e dalla natura della sostanza fluida, se il numero di Reynolds è inferiore a 2000, avviene il movimento laminare, se è superiore a 4000, il flusso diventa turbolento. I valori intermedi dei numeri (da 2000 a 4000) indicano la presenza di una modalità di transizione.

I numeri Reynolds specificati vengono utilizzati per determinare il movimento di vari oggetti e dispositivi tecnici nei fluidi, per studiare il flusso dell'acqua attraverso tubi di varie forme e svolgono anche un ruolo importante nello studio di determinati processi biologici, ad esempio il movimento di microrganismi nei vasi sanguigni umani.