Mecânica dos fluidos/Viscosidade
Definição informal
Em um sólido, as tensões derivam de deformações elásticas sofridas sob ação de forças externas. Em um fluido, as tensões derivam do fluxo resultante da aplicação dessas forças externas. A propriedade que um fluido tem de apresentar resistência às tensões cisalhantes é chamada de viscosidade. Por isso, diz-se que os sólidos são materiais elásticos e os fluidos, materiais viscosos. Alguns materiais resultantes de misturas sólidos/líquidos apresentam propriedades viscoelásticas.
Definição formal
Considere-se um elemento de fluido, de dimensões , localizado entre duas placas paralelas ao plano XZ, uma delas movendo-se à velocidade em relação à outra, devido à aplicação de uma força externa no sentido do eixo X. Chamemos à superfície de contato do elemento com a placa móvel e à força exercida pela placa sobre o elemento de fluido. É fácil ver que terá a direção do eixo X. No elemento de fluido aparecerá então a tensão , dada por
Durante o intervalo de tempo , o líquido é então deformado, pois a superfície se move no sentido do eixo X por uma quantidade que denotaremos por , enquanto a face oposta permanece no mesmo lugar. As faces do elemento, que eram inicialmente ortogonais ao eixo X, sofrem, por sua vez, uma rotação dada pelo ângulo . É fácil ver que
Para muito pequenos, podemos escrever
Então
Podemos dizer que o elemento de fluido, submetido à tensão de cisalhamento , sofre uma taxa de deformação (ou taxa de cisalhamento) . Fluidos onde a taxa de deformação é proporcional à tensão de cisalhamento são chamados fluidos Newtonianos. Em outras palavras, em um fluido Newtoniano
onde é chamada viscosidade absoluta (ou viscosidade dinâmica) do fluido. A dimensão da viscosidade absoluta é [massa/comprimento.tempo]; no SI, a unidade de viscosidade absoluta é, portanto, kg/m.s. Também se usa o conceito de viscosidade cinemática, que é a razão entre a viscosidade absoluta e a densidade; a dimensão da viscosidade cinemática é [comprimento2/tempo]; no SI, a unidade de viscosidade cinemática é, portanto, m2/s.
Em condições normais, a maioria dos fluidos comuns, como água, ar e gasolina são fluidos Newtonianos. Nos gases, a viscosidade absoluta tende a aumentar com a temperatura, enquanto que, nos líquidos, ela tende a diminuir. Das fórmulas acima, temos ainda que
o que indica que, quanto mais próximas as placas, maior a viscosidade.