Ringraziamenti dell Editore Presentazione dell edizione italiana Prefazione all edizione americana Guida alla lettura XI XIII XV XX 1 Introduzione e concetti di base 1 1.1 Introduzione 2 Cos è un fluido? 2 Aree di applicazione della meccanica dei fluidi 5 1.2 La condizione di aderenza 6 1.3 Breve storia della meccanica dei fluidi 7 1.4 Classificazione del moto dei fluidi 10 Moto viscoso o non-viscoso 10 Moto confinato o non confinato 11 Fluido comprimibile o incomprimibile 11 Moto laminare o turbolento 12 Moto a gravità o forzato 12 Moto permanente o vario 12 Moto uni, bi o tridimensionale 14 1.5 Sistema e volume di controllo 15 1.6 Dimensioni e unità di misura 16 Alcune unità del SI 17 Omogeneità dimensionale 18 1.7 Modellazione matematica di problemi ingegneristici 20 La modellazione in ingegneria 20 1.8 Tecnica di risoluzione dei problemi 21 Fase 1: Posizione del problema 21 Fase 2: Schematizzazione 21 Fase 3: Ipotesi e approssimazioni 22 Fase 4: Leggi fisiche 22 Fase 5: Proprietà 22 Fase 6: Calcoli 22 Fase 7: Commenti, verifiche e discussione 22 1.9 Il software 23 1.10 Accuratezza, precisione e cifre significative 24 2 Proprietà dei fluidi 29 2.1 Introduzione 30 Sistema continuo 30 2.2 Densità 30 La densità dei gas perfetti 31 2.3 Tensione di vapore e cavitazione 32 2.4 Energia e calori specifici 34 2.5 Coefficiente di comprimibilità 36 Coefficiente di dilatazione cubica 38
VI Celerità e numero di Mach 40 2.6 Viscosità 43 2.7 Tensione superficiale e capillarità 48 Effetti di capillarità 50 3 Statica dei fluidi 57 3.1 Pressione 58 Pressione in un punto 60 Variazione della pressione con la quota 61 3.2 I manometri 65 Altri strumenti di misura della pressione 67 3.3 La pressione atmosferica 69 3.4 Introduzione al calcolo delle spinte 72 3.5 Spinta su superfici piane 73 Il caso particolare della superficie rettangolare 76 3.6 Spinta su superfici curve 78 3.7 Galleggiamento e stabilità 84 Equilibrio dei corpi immersi e dei galleggianti 87 3.8 Moto rigido dei fluidi 89 Caso particolare 1: Fluidi in quiete 91 Caso particolare 2: Fluido in caduta libera 91 Moto rettilineo uniformemente accelerato 92 Centrifuga 94 4 Cinematica dei fluidi 113 4.1 Descrizione lagrangiana ed euleriana 114 Campo di accelerazione 116 Derivata totale 119 4.2 La visualizzazione di un campo di moto 121 Linee di flusso 121 Traiettorie 123 Linee di fumo 124 Linee di tempo 125 4.3 Rappresentazione grafica di un campo di moto 126 Profili 126 Mappe vettoriali 126 Mappe di isolinee 127 4.4 Altre descrizioni cinematiche 128 Tipi di moto e di deformazione degli elementi fluidi 128 Vorticità e rotazionalità 133 Confronto tra due moti circolari 135 4.5 Il teorema del trasporto di Reynolds 136 Relazione tra la derivata totale e il teorema del trasporto di Reynolds 141 5 Equazioni della massa, di Bernoulli, dell energia 149 5.1 Introduzione 150 5.2 Conservazione della massa 150 Portata di massa e portata volumetrica 151 Equazione di continuità 152 Volume di controllo in movimento 154 Equazione di continuità per il moto permanente 154 Equazione di continuità per i fluidi incomprimibili 154 Equazione di continuità per le correnti 154 5.3 Energia meccanica e rendimento 157 5.4 Il teorema di Bernoulli 161 Accelerazione di una particella di fluido 162 L equazione di Bernoulli 162 Distribuzione della pressione 164
VII Moto vario 166 Pressione dinamica 166 Limiti di applicabilità dell equazione di Bernoulli 167 Linea piezometrica e linea dei carichi totali 168 5.5 Applicazioni del teorema di Bernoulli 170 Processi di efflusso 171 Luce con tubo addizionale esterno 176 Convergenti e divergenti 177 5.6 Equazione generale dell energia 183 Trasmissione di calore 183 Trasferimento di lavoro 184 5.7 Equazione dell energia per il moto permanente 187 Il caso del fluido perfetto 190 5.8 Coefficiente di ragguaglio della potenza cinetica 190 6 Equazione della quantità di moto 205 6.1 Leggi di Newton e conservazione della quantità di moto 206 6.2 Scelta di un volume di controllo 206 6.3 Forze agenti su un volume di controllo 208 6.4 L equazione della quantità di moto 209 Moto permanente 210 Coefficiente di ragguaglio della quantità di moto 211 Moto in assenza di forze esterne 213 7 Analisi dimensionale e modellazione 227 7.1 Dimensioni e unità di misura 228 7.2 Omogeneità dimensionale 229 Adimensionalizzazione delle equazioni 229 7.3 Similitudine e analisi dimensionale 232 7.4 Il teorema di Buckingham e il metodo delle variabili ripetute 235 Fase 1 237 Fase 2 237 Fase 3 237 Fase 4 237 Fase 5 238 Fase 6 239 7.5 Modelli e similitudine incompleta 244 Progettazione delle indagini sperimentali e correlazione dei risultati 244 Similitudine incompleta 245 Prove in galleria del vento 245 Moti a superficie libera 248 8 Correnti in pressione 257 8.1 Introduzione 258 8.2 Moto laminare e moto turbolento 259 Il numero di Reynolds 260 8.3 La regione di ingresso 262 Lunghezza di ingresso 263 8.4 Moto laminare 264 Caduta di pressione 265 Tubazioni inclinate 266 Perdita di carico e cadente 267 Tubazioni non circolari 269 8.5 Moto turbolento 272 Lo sforzo tangenziale turbolento 273 Il profilo di velocità in moto turbolento 275
VIII La scabrezza 277 I tubi commerciali 279 La formula di Colebrook 281 Problemi di verifica e di progetto 283 Le formule pratiche 288 8.6 Perdite localizzate 291 8.7 Reti di distribuzione 297 Condotte in serie 302 Condotte in parallelo 302 Impianti di sollevamento 304 8.8 Lunghe condotte 312 Problemi di verifica 314 Problemi di progetto 318 8.9 Misure di portata e velocità 322 Tubo di Pitot 323 Misuratori a strozzamento: diaframmi, boccagli, venturimetri 323 Misuratori volumetrici 326 Misuratori a turbina 326 Flussimetri ad area variabile (Rotametri) 327 Flussimetri a ultrasuoni 328 Misuratori elettromagnetici 330 Anemometri a filo caldo e a film caldo 330 Velocimetria laser Doppler 331 Velocimetria a immagini di particelle (PIV) 332 9 Equazioni indefinite del moto dei fluidi 345 9.1 Introduzione 346 9.2 L equazione di continuità 347 Applicazione del teorema della divergenza 347 Volume di controllo infinitesimo 348 Formulazione alternativa 349 Equazione di continuità in coordinate cilindriche 350 Casi particolari 350 9.3 La funzione di corrente 352 9.4 L equazione della quantità di moto 357 Applicazione del teorema della divergenza 359 Volume di controllo infinitesimo 360 Formulazione alternativa 362 Seconda legge di Newton 363 9.5 L equazione di Navier-Stokes 363 Introduzione 363 Fluidi newtoniani e fluidi non newtoniani 364 Fluidi incomprimibili e isotermi 365 Equazioni in coordinate cartesiane 367 Equazioni in coordinate cilindriche 367 9.6 Applicazioni 368 Determinazione del campo di pressione 368 Soluzioni analitiche 370 10 Soluzioni approssimate dell equazione di Navier-Stokes 385 10.1 Introduzione 386 10.2 Equazioni adimensionali del moto 387 10.3 Moto non viscoso 389 Equazione di Bernoulli 390 10.4 Moto irrotazionale 391 Equazione di continuità 391 Equazione del moto 392 Equazione di Bernoulli 393 Moto irrotazionale bidimensionale 393
IX La tecnica della sovrapposizione 396 10.5 Lo strato limite 396 Le equazioni dello strato limite 400 La procedura di risoluzione 404 Spessore di spostamento 408 Spessore di quantità di moto 409 Strato limite turbolento su lastra piana 410 La soluzione integrale degli strati limite 411 11 Resistenza e portanza 419 11.1 Introduzione 420 11.2 Azione di trascinamento e portanza 421 11.3 Resistenza d attrito e di forma 424 Riduzione della resistenza con la sagomatura 426 Distacco della vena fluida 427 11.4 Coefficienti di resistenza per le forme più comuni 428 Sistemi viventi e resistenza al moto 430 Coefficienti di resistenza degli autoveicoli 432 11.5 Moto su lastra piana parallela 433 Coefficiente d attrito 434 11.6 Moto attorno a cilindri e sfere 436 Effetto della scabrezza della superficie 438 11.7 Portanza 440 Portanza generata dalla rotazione 444 12 Moto dei fluidi comprimibili 453 12.1 Grandezze di ristagno 454 12.2 Moto isoentropico unidimensionale 458 Variazione della velocità del fluido con l area della sezione trasversale 460 Moto isoentropico di un gas ideale 462 12.3 Moto isoentropico negli ugelli 465 Ugelli convergenti 465 Ugelli convergenti-divergenti 470 12.4 Onde d urto e onde di espasione 474 Onde d urto normali 474 Onde d urto oblique 481 Onde di espansione di Prandtl-Meyer 486 12.5 Moto con scambio di calore e resistenze trascurabili (Flusso di Rayleigh) 490 Relazioni tra le grandezze caratteristiche del flusso di Rayleigh 497 Flusso di Rayleigh soffocato 498 12.6 Moto adiabatico con resistenze non trascurabili (Flusso di Fanno) 499 Relazioni tra le grandezze caratteristiche nel flusso di Fanno502 Flusso di Fanno soffocato 506 13 Correnti a superficie libera 517 13.1 Classificazione dei moti a superficie libera 518 Moto uniforme 519 Moto laminare e turbolento nei canali 520 13.2 Il numero di Froude e la celerità 522 Celerità 524 13.3 L energia specifica 527 13.4 Le equazioni di continuità e dell energia 530 13.5 Moto uniforme 531 Pendenza critica 534
X Alvei con golene 535 Alvei a scabrezza non uniforme 537 13.6 Le sezioni di minimo costo 540 Canali a sezione rettangolare 541 Canali a sezione trapezia 541 13.7 Moto gradualmente variato 543 Profili di corrente 546 Alcuni esempi applicativi 548 Integrazione numerica dell equazione del moto 552 13.8 Risalto idraulico 556 Esempi applicativi 559 13.9 Regolazione e misura della portata 563 Paratoie a battente 564 Stramazzi 566 Indice analitico 585