ViscoelasticitàLa viscoelasticità è un modello matematico che descrive un materiale che si comporta in modo intermedio tra un solido elastico e un fluido. Costituisce un modello ampiamente studiato in reologia. Uno dei modelli più semplici di materiale viscoelastico è il fluido alla Boger, in cui la viscosità è costante. L'individuazione del comportamento viscoelastico viene svolta misurando la variazione della viscosità η in funzione della velocità di deformazione . Nel caso di un fluido viscoelastico la viscosità dipende sia dalla temperatura che dalla velocità di deformazione, mentre per un fluido puramente viscoso la viscosità dipende esclusivamente dalla temperatura. StoriaNel XIX secolo, i fisici James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Woldemar Voigt e William Thomson Kelvin studiarono i fenomeni di scorrimento viscoso (anche detto "creep") e recupero di vari materiali, tra cui: vetro, metalli e gomme.[1] Il modello della viscoelasticità fu ulteriormente elaborato alla fine del XX secolo in occasione della sintesi dei primi polimeri sintetici,[1] che manifestano comportamento viscoelastico. DefinizioneI materiali puramente viscosi rispondono ad una sollecitazione tangenziale manifestando un comportamento coerente con la legge di Newton, cioè originando al loro interno uno sforzo tangenziale pari al prodotto della velocità di deformazione e della viscosità; se sono invece sottoposti ad una sollecitazione normale non si oppongono in alcun modo. I materiali elastici rispondono ad una sollecitazione normale manifestando un comportamento coerente con la legge di Hooke, cioè originando al loro interno uno sforzo normale pari al prodotto del modulo di Young e della deformazione (espressa in termini di allungamento percentuale) e ritornando al loro stato originario quando queste sollecitazioni cessano; se sono invece sottoposti ad una sollecitazione tangenziale non si oppongono in alcun modo. I materiali viscoelastici si oppongono sia alle sollecitazioni tangenziali sia alle sollecitazioni normali, generando quindi al loro interno sia sforzi tangenziali sia sforzi normali. Esempi di materiali viscoelasticiSebbene alcuni materiali seguano abbastanza bene la legge di Newton oppure la legge di Hooke, tutti i materiali mostrano una deviazione più o meno marcata dal comportamento elastico e dal comportamento puramente viscoso, per cui dal punto di vista pratico tutti i materiali sono viscoelastici. Di solito i metalli e le leghe (quali ad esempio l'acciaio o l'alluminio) e il quarzo (a temperatura ambiente e per piccole deformazioni) hanno un comportamento pressoché elastico. I polimeri sintetici, il legno, i tessuti umani e i metalli ad alta temperatura mostrano invece effetti viscoelastici significativi. Alcuni esempi di materiali viscoelastici includono: polimeri amorfi, polimeri semicristallini, biopolimeri, metalli ad elevate temperature, e materiali bituminosi. Comportamento reologico dei materiali viscoelasticiNel caso dei materiali viscoelastici, la viscosità, intesa come costante di proporzionalità tra sforzo e velocità di deformazione, dipende dalla velocità di deformazione e quindi dal tempo. La viscosità di un materiale viscoelastico è costituita da due contributi:
Alcune proprietà dei materiali viscoelastici sono le seguenti:
Modulo di rilassamentoModulo dinamicoLa viscoelasticità viene studiata usando l'analisi meccanica dinamica (DMA), applicando una piccola deformazione oscillatoria e misurando la tensione risultante. A seconda della natura del materiale, si possono avere i seguenti casi:
Il modulo dinamico complesso G può essere usato per rappresentare le relazioni tra lo sforzo e la deformazione in una prova dinamica:
dove:
Viscoelasticità lineare e non lineareLa viscoelasticità lineare si ha quando la funzione è un'equazione differenziale ordinaria separabile nei confronti sia della risposta allo scorrimento viscoso sia del carico applicato. Tutti i modelli viscoelastici lineari possono essere rappresentati dall'equazione di Volterra, che lega lo sforzo e la deformazione: oppure: dove:
La viscoelasticità lineare di solito è applicabile solo nel caso di piccole deformazioni. La viscoelasticità non lineare si ha quando la funzione non è separabile; in genere ciò accade quando le deformazioni sono grandi o se il materiale cambia le sue proprietà durante la deformazione. Valutando il modulo elastico durante un esperimento di stress relaxation, si noterà un valore costante al variare della deformazione iniziale applicata nel caso in cui ci si trovi in regime di viscoelasticità lineare, viceversa nel caso in cui il regime fosse di viscoelasticità non lineare si otterrebbero diversi valori del modulo elastico al variare della deformazione iniziale; un analogo discorso può essere condotto nel caso in cui ad essere valutato fosse il modulo di compliance J(t) durante un esperimento di creep in regime di viscoelasticità lineare. Equazioni costitutive dei materiali viscoelasticiDetti lo sforzo, è la deformazione, è il modulo elasticità di Young, il modulo di cedevolezza e il tempo. Modelli a 2 elementiModello di MaxwellIl modello di Maxwell descrive bene i materiali viscoelastici che si comportano in modo elastico su intervalli di tempo brevi e in modo viscoso su intervalli di tempo lunghi. In genere il modello di Maxwell viene impiegato per prevedere il comportamento dei materiali viscoelastici liquidi. Tale modello è rappresentato da un dissipatore viscoso collegato in serie a una molla. Ad esso associata è la seguente equazione, che descrive il sistema sommando i due contributi: in cui:
Imponendo come condizioni al contorno: si ottiene
Modello di Kelvin-VoigtIn genere il modello di Kelvin-Voigt viene impiegato per prevedere il comportamento dei materiali viscoelastici solidi. Tale modello è rappresentato da un dissipatore viscoso collegato in parallelo a una molla e l'equazione costitutiva ad esso associata è la seguente: in cui:
Imponendo come condizioni al contorno: si ottiene
Modelli a 3 elementiModello lineare standard di ZenerIl modello lineare standard, proposto per la prima volta da Clarence Zener, è un modello ideato per risolvere le problematiche dei modelli a due elementi. Può essere rappresentato da una molla collegata in parallelo ad un dissipatore viscoso e una molla collegati a loro volta in serie, secondo la rappresentazione di Maxwell, o da una molla in serie a un pistone e una molla posti in parallelo, secondo la rappresentazione di Kelvin-Voigt.
Modello di Jeffreys-Lethersich
Modello a 4 elementi di Alfrey-BurgersModelli Multi-elementoModello di Maxwell-WeichertIl modello di Maxwell-Weichert è rappresentato da una molla collegata in parallelo a più dissipatori viscosi e molle collegate a loro volta in serie. Il modello di Maxwell generalizzato è rappresentato da più elementi disposti in parallelo, ciascuno a sua volta costituito da una molla e da un dissipatore viscoso disposti in serie. Modello di Kelvin-Voigt-WeichertIl modello di Kelvin-Voigt generalizzato è rappresentato da più elementi disposti in serie, ciascuno a sua volta costituito da una molla e da un dissipatore viscoso disposti in parallelo. Il modello di Kelvin-Voigt generalizzato coincide con il modello di Maxwell generalizzato nel caso in cui il numero di elementi tende ad infinito. Rilassamento viscoelasticoIn materiali come i polimeri termoplastici si osserva un rilassamento delle tensioni, detto anche rilassamento viscoelastico, portate a seguito di una certa deformazione imposta, il fenomeno si spiega con lo sgrovigliamento delle catene macromolecolari, sgrovigliamento che necessita di un certo tempo per compiersi. NoteBibliografia
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