fluido

In fisica, viene detto generalmente f. un corpo allo stato liquido o aeriforme; in tale solido manca l’elasticità di forma propria dello stato solido; pertanto, imponendo al f. una variazione di forma (a volume costante) si ha uno scorrimento, più o meno accentuato, delle sue parti le une sulle altre; a tale scorrimento si oppone sempre, nei f. reali, un attrito interno (viscosità). In tal senso si parla di stato f. (in contrapposizione a stato solido).

Le proprietà di un f. dipendono da pressione, temperatura e densità, legate fra loro da una particolare relazione dipendente dalla natura del f. (equazione di stato), dalla sua viscosità e dalle sue caratteristiche elettriche e magnetiche nel caso di f. ionizzato o comunque conduttore. Postulando l’assenza di viscosità, e per i liquidi anche di una seppur minima compressibilità, si parla di f. non viscoso o perfetto o ideale (per le proprietà dei f. reali e perfetti ➔ gas; liquido).

Modello f. (o teoria f.) In fisica, si usa gergalmente questa locuzione in contrasto con la teoria cinetica. In effetti la descrizione precedente di f. fa riferimento a variabili di stato che, anche se considerate funzioni puntuali, si riferiscono comunque a porzioni di materia macroscopiche (cioè contenenti un gran numero di atomi e molecole), caratterizzate da proprietà che sono comunque mediate nello spazio e nel tempo. Non si è interessati invece alle funzioni di distribuzione (per es., delle velocità) dei costituenti elementari, che si assume che in ogni punto e istante siano prossime a quelle di equilibrio alla temperatura locale del fluido. Questo approccio è accurato quando tutte le scale temporali caratteristiche del fenomeno in esame sono molto più lunghe del tempo medio di collisione fra i costituenti e, analogamente, le scale spaziali sono molto maggiori dei liberi cammini medi dei costituenti stessi. Nel caso queste condizioni non siano soddisfatte, si ricorre a teorie cinetiche, che studiano l’evoluzione delle funzioni di distribuzione. Da queste si ricavano poi, con integrazioni e/o medie, i parametri di stato.

Erano detti f. imponderabili, dotati cioè di una densità non apprezzabile, i f. ipotetici volta a volta introdotti in passato nella scienza (etere cosmico, calorico, f. elettrici o magnetici) allo scopo di spiegare fenomeni non altrimenti interpretabili sulla base dei risultati sperimentali noti. Il progredire della scienza ha tolto la ragion d’essere a questi enti: ma si deve riconoscere che essi hanno svolto in un determinato periodo storico una preziosa funzione euristica.

La fluidodinamica, la fluidometria, la fluidostatica

La fluidodinamica è la parte della meccanica che si occupa della dinamica dei liquidi e dei gas. Negli ordinari fenomeni meccanici un f., liquido o gas, può essere assimilato a un sistema continuo che, a seconda dei casi, può essere considerato come compressibile o come incompressibile, come viscoso o come non viscoso. L’incompressibilità esclude che vi possano essere in un f. sottoposto a pressione variazioni di densità: l’acqua, per es., può considerarsi entro certi limiti come incompressibile; i gas invece sono f. essenzialmente compressibili e soltanto in particolari condizioni si può prescindere da questa loro proprietà. L’assenza di viscosità significa che sul generico elemento di superficie idealmente tracciato nel f. lo sforzo specifico ha componenti non nulle solo per la normale all’elemento medesimo, sicché non si destano azioni tangenziali fra elementi fluidi a contatto: operando in tal senso si formula uno schema teorico, atto tuttavia a dare in molti casi una soddisfacente rappresentazione dei f. reali. L’esistenza di azioni tangenziali rende conto dell’attrito interno che si desta fra elementi del f. fra loro a contatto e dell’attrito del mezzo che si desta fra particelle del f. e particelle della superficie di un solido in esso immerso, fra loro a contatto. In condizioni diverse da quelle dell’ordinaria esperienza, l’assimilazione del f. a un sistema continuo non sempre appare accettabile, e i metodi classici della meccanica devono cedere allora il posto ai metodi della meccanica statistica (come nella meccanica dei gas rarefatti o quando, per es., si verifichino in un liquido fenomeni di cavitazione); come pure può verificarsi, sempre in circostanze di carattere piuttosto eccezionale, che il f. possa essere schematizzato in un sistema continuo, ma si debba tener conto (per es., nel caso in cui si abbia un’onda d’urto), di discontinuità di determinate grandezze (velocità, pressione ecc.) che intervengono nel fenomeno. Il termine fluidodinamica per la sua genericità si considera comprensivo di tutte le teorie, classiche e moderne, relative al moto dei f.: fra queste sono particolarmente da ricordare l’idrodinamica, l’aerodinamica, la gasdinamica, la magnetofluidodinamica. Notevole rilievo hanno avuto recentemente le applicazioni della fuidodinamica ai f. biologici, in particolare al sangue, e in generale a f. contenenti elementi che presentano una propria struttura, o gradi di libertà interni, come ioni, atomi, molecole, oppure bolle, particelle materiali diverse da quelle del f. circostante in moto, e infine anche elementi vorticosi (in turbolenza). Questi f. sono designati spesso come f. orientati, o f. polari, o anche f. strutturati o microfluidi (➔ microidrodinamica).

La fluidometria è la parte della metrologia che studia i metodi di misura di portate di f. (in pressione o a pelo libero), e di quantità di f., cioè di integrali di portate in dati intervalli di tempo.

La fluidostatica è la parte della meccanica che si occupa della statica dei liquidi e gas. Nei f. in quiete non vi sono scorrimenti relativi: ciò comporta l’assenza di forze viscose, ovvero di sforzi tangenziali sui generici elementi di superficie; pertanto nei f. in quiete gli sforzi sono sempre normali agli elementi di superficie su cui agiscono e quindi, in un punto, non dipendono dalla giacitura dell’elemento considerato, ma dalla pressione nel punto. Equazione fondamentale della fluidostatica è: gradp = ρF in cui, grado p è il gradiente di pressione p, ρ la densità, F la forza di volume per unità di massa.