MATERIALE: Contenitore, acqua, carta assorbente, spilli, magnete.

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1 SCOPO: Studiare il comportamento dei fluidi non newtoniani. Su suggerimento di uno studente, per esaminare il comportamento dei fluidi non newtoniani, siamo partiti dal confronto con il fluido più comune: l'acqua ed abbiamo realizzato un esperimento sulla tensione superficiale. MATERIALE: Contenitore, acqua, carta assorbente, spilli, magnete. PROCEDIMENTO: Si adagia uno spillo su un pezzetto di carta assorbente, si appoggia delicatamente sulla superficie dell'acqua. La carta con lo spillo galleggia sull'acqua. Dopo un po' la carta si impregna di acqua e si può spostare delicatamente con un altro spillo. Lo spillo che era sulla carta continuerà a galleggiare. Le molecole vicine alla superficie dell'acqua sono attratte dalle altre molecole vicine, che appartengono alla superficie o sono sotto di essa, quindi le molecole della superficie sono attratte verso l'interno dell'acqua; all'effetto di questa forza di attrazione si dà il nome di tensione superficiale: è come se ci fosse una pellicola che tiene unita la superficie del liquido. E' grazie alla tensione superficiale che alcuni insetti sembrano camminare sull'acqua.

2 FLUIDI NON NEWTONIANI Gli esperimenti seguenti riguardano il comportamento dei fluidi non newtoniani. Tipici fluidi non newtoniani sono il ketchup, il sangue, il fango, il miscuglio di acqua e fecola di patate o di acqua e maizena (farina di mais): noi abbiamo effettuato gli esperimenti con quest'ultimo miscuglio. MATERIALE: Acqua, maizena, colorante per alimenti, contenitori, scivolo, biglia, buffer, amplificatore, computer, viscosimetro. PROCEDIMENTO 1: Abbiamo preparato un composto di acqua e maizena, circa in parti uguali. Innanzitutto bisogna accertarsi che il composto sia fluido, infatti tende ad asciugarsi e può assumere l'aspetto del fango secco, mostrando le crepe tipiche di una terra asciutta: in questo caso basta aggiungere un po' d'acqua perché ritorni allo stato fluido. 1a. Si immerge una mano (meglio con un guanto) nel miscuglio di acqua e maizena: se si cerca di toglierla velocemente, il fluido oppone maggiore resistenza. 1b. Si può prendere in mano un po' di fluido e schiacciarlo: sembra diventare solido. Quando si apre la mano, un po' alla volta il composto comincerà a fluire. 1c. Si può provare a dare un pugno sulla superficie del fluido: la mano rimarrà incastrata e si riuscirà a sollevare anche il contenitore.

3 I fluidi non newtoniani oppongono una resistenza maggiore all'aumentare della pressione esercitata. Nel nostro esperimento, la maizena non si scioglie nell'acqua, ma le sue particelle rimangono in sospensione. Quando si esercita una forte pressione, le particelle si ammassano e non fanno penetrare l'oggetto. Se invece l'oggetto viene immerso lentamente, le particelle hanno il tempo di separarsi: è quello che succede quando suona la campanella di fine lezione: gli studenti si accalcano davanti alla porta e fanno fatica ad uscire; se uscissero in modo ordinato farebbero prima. Anche il fango e le sabbie mobili sono fluidi non newtoniani: se vi si affonda, bisogna sollevare le gambe molto lentamente, altrimenti si resta sempre più intrappolati perché facendo movimenti veloci si esercita una pressione maggiore e le sabbie mobili si oppongono con maggior resistenza. PROCEDIMENTO 2: Si solleva la parte mobile dello scivolo in modo da inclinarla formando un angolo minore di un angolo retto con il tavolo. Si pone la biglia nel punto più alto dello scivolo e la si lascia andare: la biglia finisce nella vaschetta con il fluido e vi corre sopra senza affondare. In cima allo scivolo, la biglia ha energia potenziale gravitazionale proporzionale all'altezza. Quando la biglia scende lungo lo scivolo, l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica e la biglia acquista velocità direttamente proporzionale alla radice quadrata dell'altezza da cui è lasciata cadere: ΔEcinetica = - ΔEpotenziale ½ m v2 = - m g Δh La biglia esercita sulla superficie del fluido una pressione a causa della quale le particelle di farina di mais si ammassano opponendo resistenza e la biglia può correre sulla superficie del fluido. PROCEDIMENTO 3: Si pone del fluido nel buffer, che è collegato ad un amplificatore; con il computer si regola la frequenza a 30 Hz. Dopo qualche secondo, parti del fluido sembrano voler uscire dal buffer.

4 Le vibrazioni del buffer producono variazioni di pressione, a causa delle quali il fluido tende a addensarsi. Anche il ketchup è un fluido non newtoniano: quando il contenitore è fermo, tende ad addensarsi e diventa quasi liquido agitando il contenitore. Secondo il CICAP (Comitato Italiano per il Controllo della Affermazioni Paranormali), il miracolo della liquefazione del sangue di S. Gennaro potrebbe essere spiegato considerando le proprietà dei fluidi non newtoniani. PROCEDIMENTO 4: Esponiamo un viscosimetro con il quale abbiamo misurato la viscosità del nostro fluido. Abbiamo posto 100 ml di fluido nella coppa dotata di un forellino nella parte inferiore, che abbiamo chiuso con un dito. Abbiamo tolto il dito e fatto partire il cronometro per misurare il tempo di caduta del fluido. Abbiamo ripetuto il procedimento tre volte e trovato i seguenti tempi: t (min) 14,00 14,20 14,40 Abbiamo calcolato il tempo medio: tmedio = 14 min 20 s = 860 s Abbiamo applicato la formula fornita dal costruttore per calcolare la viscosità: v = 3,85 (t 4,5) = 3,85 (860 4,5) = 3300 cst = 0,0033 m2/s (1 cst = 10-6 m2/s). Riportiamo, per un confronto una tabella con la viscosità di alcuni fluidi. FLUIDO VISCOSITA' (centistokes) Acqua 1 Latte 4 Olio vegetale 43,2 Salsa pomodoro 220 Glicerina 1100 Miele 2200 Colla 4500 Maionese 6250

5 La viscosità è la difficoltà che incontra la massa di un fluido (un liquido o un gas), a scorrere liberamente in un condotto; questo fenomeno è anche detto attrito interno, perché dipende dalle forze di coesione esistenti fra le molecole del fluido, le quali oppongono un azione frenante allo scorrimento degli strati di sostanza gli uni sugli altri. Il viscosimetro sfrutta proprio la difficoltà degli strati di fluido a scorrere: la viscosità ha una dipendenza lineare con il tempo di caduta. RIFERIMENTI: