L'attrito di una sfera in un liquido

A proposito del moto di una sfera in un liquido, mi servirebbe la legge di dipendenza della forza d'attrito dalla velocità della sfera.
Valentina Bastianelli
27 dicembre 2003
La forza di attrito F agente su una sfera di diametro d in moto con velocità v in un mezzo con viscosità η e densità ρ dipende da un parametro adimensionale detto numero di Reynolds R =ρ v d /η . Per piccoli numeri di Reynolds, R << 1, si trova (legge di Stokes):

F = 3π d η v

All'aumentare del numero di Reynolds la legge di Stokes sottostima la forza di attrito. Un risultato migliore, dovuto a Oseen, corregge la legge di Stokes nella forma:

F = 3π d η v (1 + 3ρ v d /16η)

Per R > 1 anche la legge di Oseen diviene poco accurata poiché non tiene conto in modo adeguato delle perturbazioni nel fluido causate dal moto della sfera. Per numeri di Reynolds superiori a circa 1200, queste perturbazioni assumono carattere turbolento e danno origine a una scia ricca di vortici. In questo regime per R inferiore a 500 000 una buona approssimazione per la forza di attrito è data da:

F = 1/2 C S ρ v2

Dove S = π a2 è la sezione della sfera e C è detto "coefficiente di resistenza". Per R < 200 000, C è pari a circa 0.4.

Si noti che l'equazione di Oseen prevede C = 9/2 per alti numeri di Reynolds. All'aumentare del numero di Reynolds oltre R = 200 000 il coefficiente C diminuisce bruscamente di 4 - 5 volte nell'intervallo 200 000 < R < 300 000 (crisi di resistenza) per risalire poi debolmente fino a circa 0.1 per R = 500 000.

Notiamo infine alcune proprietà generali dei risultati appena esposti:

1) in regime turbolento (R > 1200) la forza di attrito aumenta con il quadrato della velocità mentre nel cosiddetto regime laminare
(R << 1) la dipendenza è solo lineare. Questo spiega gli sforzi delle case automobilistiche per migliorare l'aerodinamica;

2) il regime di moto, laminare o turbolento, è stabilito oltre che dalle caratteristiche del fluido e dalla velocità dell'oggetto in moto anche dalle dimensioni di quest'ultimo: a parità di velocità un'automobile può sviluppare turbolenze e un moscerino no.
Dino Leporini Dipartimento di Fisica "Enrico Fermi", Università di Pisa

© Copyright SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Trieste (Italy) - 2001-2011