Fisica attrito viscoso

L’ATTRITO VISCOSO
Un corpo in movimento in un fluido incontra una resistenza all'avanzamento (resistenza aerodinamica), la cui quantità dipende dalle caratteristiche fisiche del fluido e dalla velocità e forma geometrica del corpo stesso. La resistenza aerodinamica è orientata in senso contrario alla direzione dei moto e perciò lo rallenta, eventualmente fino a fermarlo. Oggetti grandi, spessi e tozzi, immersi in un flusso d'aria sono soggetti ad una preponderante resistenza: viceversa, corpi affusolati con contorni arrotondati mostrano una minor resistenza all'attrito aerodinamico.

Ci sono tantissimi esempi di resistenza aerodinamica: pensa a quando vai in motorino o a quando vai in auto e metti la mano fuori dal finestrino: in entrambi i casi percepisci sicuramente che l’aria “ti spinge indietro” e ciò che senti è proprio la forza della resistenza aerodinamica. La caduta di un paracadutista viene rallentata dall’aria imprigionata dentro il suo paracadute: altro chiaro esempio di resistenza dell’aria. Ancora più evidente quando vai in barca: se non remi di continuo la barca lentamente si ferma: questo è proprio l’effetto della resistenza dell’acqua che resiste all’attraversamento della barca. Stessa cosa quando nuoti: devi fare un continuo sforzo per mantenerti in movimento. Tutti esempi di attrito viscoso!

Ma da cosa dipende questo attrito? Noi non possiamo fare esperimenti al riguardo in classe: però possiamo cercare di capirne le leggi fondamentali riflettendo su qualche nostra esperienza.

ATTRITO E VELOCITA’
Tutti gli automobilisti sanno per esperienza che, per mantenere costante la velocità dell’automobile all’aumentare della velocità, occorre una maggiore quantità di carburante, poiché aumentano anche le forze di attrito viscoso dell’aria che il motore deve controbilanciare. L’esperienza insegna che l’attrito viscoso (FV) è circa direttamente proporzionale alla velocità (V) nei liquidi ed aumenta circa con il quadrato della velocità nei gas. In altre parole:

FV α V                        (liquidi: acqua, alcool, sangue…)
FV α V2                      (aria, gas in generale)

ATTRITO E DIMENSIONE
In generale, la forza di attrito viscoso dipende, oltre che dalla velocità, anche dal fluido in cui l’oggetto si muove, dalla forma e dalle dimensioni dell’oggetto in movimento.

E’ chiaro che più grande è la superficie che un corpo espone mentre avanza maggiore è la quantità di fluido che gli fa resistenza. E’ abbastanza evidente che se ho una certa forza resistente che agisce su di una superficie, se raddoppio questa superficie raddoppia anche la forza resistente.

Con un esempio: supponiamo di essere legionari romani e di avanzare dentro l’aria protetti da uno scudo: su tale scudo agisce una certa forza resistente FV di valore f1. Adesso mostriamo tutta la nostra forza! e decidiamo di avanzare protetti da due scudi, uno per braccio: è chiaro che anche la forza resistente è raddoppiata, essendo adesso FV = 2·f1, cioè di valore f1 per ogni scudo. In conclusione: la forza viscosa e la superficie esposta dell’oggetto avanzante sono direttamente proporzionali fra loro. In formule:

FV α S , S superficie esposta.

ATTRITO E FORMA, DENSITA’ DEL FLUIDO
Inoltre: è evidente che un oggetto appuntito avanza meglio in un fluido di un oggetto piatto (pensate alla prua di una nave o alla forma del muso di un pesce). Sperimentalmente risulta che le forme affusolate e stondate avanzano meglio di quelle piatte ed appuntite.

Infine: la resistenza del fluido è tanto maggiore quanto più esso è denso, in quanto maggiore è la sua densità maggiore è la massa che il corpo deve attraversare (questa è una legge che praticamente è utile solo per i gas: perché? Prova a darti una risposta…). Se raddoppia la densità del fluido raddoppia anche la massa da attraversare e perciò raddoppia pure FV. In conclusione:
FV α δfluido

ATTRITO E MASSA DELL’OGGETTO
Infine: consideriamo due palline di dimensioni e forma identiche che cadono in aria, uno di piombo l’altra di polistirolo. Cosa notiamo? Non sto nemmeno a citare l’osservazione: è chiaro a tutti che mentre la pallina di piombo casca rapidamente al suolo senza praticamente sentire l’effetto dell’aria quella di polistirolo volteggia sbattuta di qua e di là. La forma e la dimensione delle palline è la stessa e perciò, a parità di velocità, è la stessa anche la forza viscosa. Quello che cambia è l’effetto di tale forza (cioè: ciò che la forza fa e non la forza stessa): esso diminuisce all’aumentare della massa del corpo che cade. Questo spiega il fatto che i missili ed i proiettili in generale siano di forma allungata e composti da materiale denso, in modo da avere poca superficie esposta (e perciò poco attrito viscoso) ma tanta massa (e perciò ricevono ancor meno effetto dalla forza viscosa, già piccola per conto suo).

UN SEMPLICE GRAFICO
Ma quanto influisce l’attrito viscoso sul movimento? Per darvi un esempio, vi mostro un grafico dove vengono visualizzati i due attriti che agiscono su di un ciclista in bicicletta:quello meccanico, dovuto alle vibrazioni della bici, e quello dell’aria.

Nota che appena la velocità del ciclista aumenta oltre i 10km/h, l’attrito dominante è proprio quello dell’aria!