Fluido

Un fluido è un materiale (generalmente costituito da una sostanza o da una miscela di più sostanze) che non è dotato di forma propria e non può sostenere uno sforzo di taglio per un tempo apprezzabile. A causa della configurazione plastica delle particelle, con il termine fluido si fa riferimento a liquidi, agli aeriformi, al plasma e, in alcuni casi, ai solidi plastici. Dal punto di vista macroscopico i fluidi sono sistemi continui, come se fossero composti cioè da un numero infinito di elementi, non da particelle discrete.

Fluido che circonda un oggetto dal profilo aerodinamico, fotografato al Museo della scienza e della tecnologia di Shanghai.

Caratteristiche

Un fluido è dotato di diverse caratteristiche:^[1] la viscosità, ovvero la facilità con cui un fluido cede allo sforzo di taglio; l'omogeneità, che determina quanto le proprietà fisiche si mantengano costanti all’interno del volume del fluido; la compressibilità, cioè la resistenza alle compressioni; la diffusione, ovvero la capacità di occupare tutto il volume a disposizione. La disciplina che si occupa dello studio dei fluidi in diverse condizioni in relazione alle sue caratteristiche, è detta fluidomeccanica. Nella fluidomeccanica si distinguono le seguenti branche:^[2]

• fluidostatica: se il fluido studiato in un sistema di riferimento in cui appare fermo;
• fluidodinamica: se il fluido è in moto.

Differenze tra solidi e fluidi

Comunemente si usa distinguere i fluidi dai solidi per il fatto che questi ultimi hanno una forma propria, mentre i fluidi assumono la forma del recipiente che li contiene.^[3]

Nei solidi gli sforzi che si generano in conseguenza di una deformazione sono funzione della deformazione stessa, mentre nei fluidi gli sforzi sono proporzionali alla velocità di deformazione. Il comportamento fluido è caratterizzato dalla viscosità mentre quello solido dal modulo di elasticità (o di Young). A livello molecolare questo significa che due particelle di fluido inizialmente contigue possono essere allontanate indefinitamente tra loro da una forza anche piccola e costante; cessata la causa deformante, le particelle non tendono a riavvicinarsi (ritorno elastico): ciò è dovuto alla diversa entità delle forze intermolecolari che agiscono all'interno di un solido e di un liquido.

Tale distinzione però consiste in un'approssimazione poiché in tutti i materiali reali gli sforzi sono funzione sia della deformazione che della velocità di deformazione.^[4] Ecco, quindi, che emerge un'ulteriore classificazione dei materiali, una terza per la quale entrambi i comportamenti coesistono e non è possibile trascurarne né l'uno né l'altro: si parla in questo caso di fluidi (o solidi) viscoelastici.

Viscosità lineare e nonlineare

Impatto di una goccia d'acqua su una superficie liquida.

A seconda dalla linearità o meno della legge sforzo-deformazione del fluido, i fluidi possono essere classificati come:

• fluidi newtoniani: per i quali gli sforzi sono lineari nella (velocità di) deformazione;
• fluidi nonlineari: dove lo sforzo non è direttamente proporzionale alla velocità di deformazione.

Il comportamento dei fluidi è descritto da una serie di equazioni a derivate parziali, basate sulle leggi di conservazione della massa, del bilancio della quantità di moto e di conservazione dell'energia (le equazioni che descrivono i fluidi lineari sono le leggi di Navier).

Storia dello studio dei fluidi

Lo studio della meccanica dei fluidi si è concentrato storicamente sulle loro proprietà e sulle leggi che li governano, a partire dall'antichità, che vide figure come Archimede, ideatore del principio di galleggiamento, fino agli sviluppi dell'età moderna. Si deve in particolare a Blaise Pascal il principio della trasmissione della pressione nei fluidi; successivamente Evangelista Torricelli contribuì alla misurazione della pressione atmosferica, mentre Daniel Bernoulli sviluppò l'equazione che descrive il moto dei fluidi ideali.^[5]

Il termine fluido era impiegato anche in medicina come sinonimo di umore,^[6] e di ogni agente vitale del corpo umano.^[7]

I fluidi imponderabili

L'esigenza di studiare alcune proprietà della materia piuttosto sfuggenti, come l'etere o il calore, in una maniera conforme alla nascente meccanica newtoniana, condusse all'introduzione del concetto di fluido «imponderabile»,^[8] così denominato perché non misurabile quantitativamente a differenza della materia ordinaria, essendo dotato di qualità non «ponderabili» come ad esempio la mancanza di peso, ma dagli effetti incontestabili.^[9]

L'incapacità delle leggi newtoniane (come la gravitazione universale) di spiegare in modo esaustivo il comportamento chimico delle particelle a livello microscopico, condusse Georg Ernst Stahl in quest'ambito a formulare una teoria anti-meccanicistica basata su un ritorno ai quattro elementi aristotelici, oltre che sui tre principi paracelsiani (mercurio, zolfo e sale) dell'alchimia, uniti ad un approccio sperimentale.^[9]

Barra di metallo incandescente, permeato da un calore assimilato a un fluido.

Ritenendo secondaria una concezione corpuscolaristica della materia ai fini di una comprensione delle sue dinamiche, Stahl adottò così una visione incentrata su agenti continui pensati appunto come fluidi, introducendo in particolare il flogisto (che significa «infiammabile»), principio della metallicità,^[10] per spiegare i fenomeni di combustione e di calcinazione. Si trattava di un fluido pressoché invisibile, che non sussisteva mai da solo, essendo sempre unito alla materia ponderabile.^[9]

Questa teoria portò ad annoverare altri fluidi di questo genere, che consentivano di ipostatizzare le proprietà dei fenomeni,^[10] di concepirle cioè come vere e proprie sostanze capaci di produrre impressioni sensoriali nell'uomo:^[10] uno di questi fu il calorico, responsabile del calore, ritenuto in grado di passare da un corpo ad un altro eppure imponderabile; e così anche la luce, l'elettricismo, il magnetismo, ecc.^[11][12]

Talora, come nel caso di Joseph Priestley, questi diversi fluidi venivano ricondotti a modificazioni dello stesso flogisto;^[9] altri come Giuseppe Gazzeri^[13] tendevano a unificarli in un fluido diverso;^[14] Luigi Galvani parlava del galvanismo da lui scoperto come di un fluido elettrico presente naturalmente negli animali, simile a un fluido vitale.^[14] Sul finire del Settecento la teoria dei fluidi imponderabili era ancora accettata con qualche riserva da Lavoisier:^[15]

«I fisici non sono d'accordo sul calore. Molti di essi lo considerano come un fluido diffuso in tutta la natura […]. Altri lo considerano solamente come il risultato di movimenti invisibili delle molecole, gli spazi vuoti tra le molecole permettendo le vibrazioni in tutti i sensi. Questo movimento invisibile è il calore. Sulla base del principio di conservazione della forza viva, si può dare così questa definizione: il calore è la forza viva, cioè la somma dei prodotti della massa di ogni molecola per il quadrato della velocità.»

(Lavoisier ^[16])

Dopo di lui, tuttavia, il concetto di fluido imponderabile verrà progressivamente abbandonato, sia per l'esigenza filosofica di approdare a una sintesi unitaria delle spiegazioni scientifiche,^[13] sia per l'emergere della concezione romantica della Naturphilosophie,^[17] la quale tendeva a sostituire paradossalmente i fluidi stessi con l'azione di forze spirituali che dematerializzavano i fenomeni fino a far sparire ogni sostrato corporeo,^[18] come nel caso di Hans Christian Ørsted,^[17] o di Humphry Davy;^[19] per quest'ultimo infatti non sono i singoli componenti, bensì i poteri ad essi associati a dare carattere alle sostanze.^[20] In seguito tali forze furono ridotte ad astrazioni fino a identificare le qualità dgli antichi fluidi, ad esempio il calore, con la mera misurazione del movimento interno delle particelle componenti la materia.^[21]