I fluidi non newtoniani sono sostanze con proprietà fisiche e chimiche sorprendenti. Sebbene sembrino quasi liquidi come l'acqua, questo tipo di fluido ha la particolarità di diventare solido quando viene esercitata una pressione sufficientemente forte su di esso.
In chimica, i fluidi sono mezzi perfettamente deformabili che possono essere gassosi (fluidi comprimibili), liquidi (fluidi poco comprimibili) o nessuno dei due (in determinate condizioni di temperatura e pressione).
La meccanica dei fluidi è la branca della fisica che studia il comportamento dei fluidi quando sono sottoposti a forze o sollecitazioni.
Esistono due famiglie principali di fluidi in base alla loro viscosità: i cosiddetti fluidi "newtoniani" e i fluidi "non newtoniani".
I fluidi "newtoniani", come l'acqua, l'aria e la maggior parte dei gas, hanno una viscosità costante o che può variare solo con la temperatura.
Al contrario, i fluidi "non newtoniani" hanno la caratteristica di avere una viscosità variabile, a seconda della velocità e delle sollecitazioni subite.
In altre parole, la deformazione di questo tipo di fluido non è direttamente proporzionale alla forza applicata.
La sabbia bagnata trovata nel Seaside è un buon esempio della peculiarità dei fluidi non newtoniani.
Infatti, se si colpisce la sabbia bagnata, questa ha la consistenza di un solido, mentre se si preme delicatamente su di essa, si comporta come una pasta.
Un piccolo esperimento sicuro da fare a casa è quello di mescolare acqua e amido di mais (Maïzena).
Incorporando lentamente 2 misurini di amido in un misurino d'acqua, si otterrà una pasta la cui viscosità varia con la velocità di sollecitazione.
Il composto risultante si comporterà come un solido se il cucchiaio viene spinto con forza sulla superficie, ma come un liquido se il cucchiaio viene spinto lentamente.
Il video qui sotto mostra che una persona che si muove velocemente o con forza sufficiente sulla superficie di un liquido non newtoniano può letteralmente camminare su tale liquido.
I fluidi non newtoniani sono oggetto di un'ampia ricerca di base, non solo perché sono molto presenti in natura, ma anche per potenziali applicazioni come i giubbotti antiproiettile.
Si tratta di un materiale interessante per la sua capacità di assorbire l'impatto di un proiettile ad alta velocità, pur rimanendo sufficientemente flessibile da poter essere indossato senza disagio.
La branca della fisica che li studia si chiama "reologia".
Un fluido che si discosta dalla legge di Newton sulla viscosità - viscosità costante indipendentemente dalle sollecitazioni - è detto non newtoniano. Quando sono sottoposti a una forza, la viscosità dei fluidi non newtoniani può cambiare, diventando più liquida o più solida. Ad esempio, il ketchup è un fluido non newtoniano perché quando viene agitato diventa più liquido. Molte soluzioni saline, polimeri fusi, crema pasticcera,[1] dentifricio, sospensioni di amido, amido di mais, vernice, sangue, burro fuso e shampoo sono esempi di fluidi non newtoniani.
Il più delle volte, la viscosità dei fluidi non newtoniani dipende dalla velocità di taglio o dalla storia della velocità di taglio (la deformazione progressiva causata dalle sollecitazioni di taglio o di trazione). Tuttavia, alcuni fluidi non newtoniani la cui viscosità è indipendente dalla velocità di taglio mostrano ancora modelli tipici di differenza di sforzo o altri comportamenti non newtoniani. In un fluido newtoniano, il coefficiente di viscosità funge da costante di proporzionalità e la relazione tra sforzo di taglio e velocità di taglio è lineare, passando per l'origine. La relazione tra sforzo di taglio e velocità di taglio è diversa in un fluido non newtoniano. Si può persino osservare una viscosità del fluido dipendente dal tempo. È quindi impossibile determinare un coefficiente di viscosità costante.
Sebbene la viscosità sia spesso utilizzata nella meccanica dei fluidi per spiegare le caratteristiche di taglio di un fluido, i fluidi non newtoniani non possono sempre essere adeguatamente descritti da questo concetto. Esse possono essere esaminate in modo più efficace utilizzando una serie di proprietà reologiche aggiuntive che mettono in relazione i tensori delle sollecitazioni e delle deformazioni in molte situazioni di flusso, come il flusso oscillatorio di taglio o estensionale, e sono determinate da vari strumenti o reometri. Le equazioni costitutive a valori tensoriali, frequentemente utilizzate nella ricerca sulla meccanica dei continui, forniscono uno strumento superiore per la comprensione di queste proprietà.