DIFERENCIAS MUY FLUIDAS

Jesús Serrano del Fresno

Mecánica de fluidos¡Hola a tod@s! Tras la primera colaboración en el blog (ver aquí), continuamos con un artículo en el que nos adentramos en la mecánica de fluidos, intentando que llegue a ser comprendida por el mayor número posible de lectores. Para su total entendimiento hemos tenido que recurrir a algunas expresiones matemáticas y a algunos conceptos físicos y químicos, aun así, creo que el post es lo suficientemente comprensible para la mayoría. De no ser así os pido diculpas por adelantado.

Mucha gente puede llegar a pensar que todos los fluidos (líquidos y gases) se rigen por las mismas leyes físicas y que, por tanto, actúan de forma similar. Nada más lejos de la realidad, según sus diferentes comportamientos bajo ciertas circunstancias podemos clasificar los fluidos en varios grupos.

Antes que nada, creo conveniente introducir un par de conceptos que son fundamentales para la comprensión de este artículo:

Esfuerzo cortante: Fuerza que se aplica de forma tangencial al movimiento del fluido, es decir, en su mismo sentido, por unidad de superficie. En la siguiente ilustración lo veréis con más claridad.

Esfuerzo cortante
Figura 1. Esfuerzo cortante

Viscosidad: Es la resistencia a la deformación (a fluir) que presenta el fluido. Se manifiesta cuando dicho fluido está en movimiento. Es equivalente a la fricción entre sólidos.

Una forma sencilla de explicar la viscosidad es considerar dos placas horizontales (pastas del libro en la Figura 1), existiendo entre ellas un fluido (hojas del libro), la placa (pasta) inferior es fija y a la superior se le aplica un esfuerzo cortante. Las partículas de fluido que están en contacto con la placa superior son arrastradas a la velocidad de la placa, estas partículas, a su vez, arrastran a otras partículas, las cuales se desplazan a una velocidad inferior debido a las fuerzas y distancias entre partículas. Este proceso se extiende hasta las partículas de fluido que tocan la placa inferior, que tienen velocidad nula.

La viscosidad tiene una gran dependencia de la temperatura:

En líquidos, es menor a medida que aumenta la temperatura. Esto se debe a que las intensas (debido a que las moléculas están muy próximas entre sí) fuerzas de cohesión se reducen y, en consecuencia, hay una disminución de la resistencia al movimiento.

En los gases, las moléculas están muy separadas entre sí y las fuerzas intermoleculares son insignificantes. Al aumentar la temperatura aumentan las vibraciones moleculares y, con ellas, la frecuencia de las colisiones, haciendo que la viscosidad sea mayor.

Frente al mismo cambio de temperaturas, el cambio de la viscosidad de un líquido es mucho mayor que en un gas.

Bien, una vez que ya conocemos los fundamentos de la viscosidad y el concepto de esfuerzo cortante, podemos empezar a clasificar los diferentes tipos de fluidos.

1.- FLUIDOS NEWTONIANOS

Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. Reciben este nombre debido a que cumplen la llamada Ley de Newton de la Viscosidad:

Ley de la Viscosidad de Newton
Figura 2. Ley de la Viscosidad de Newton

Dicha ley dice que el esfuerzo cortante (F/A ó τ) es igual a la viscosidad (µ) multiplicada por la velocidad de deformación del fluido, que es el cociente entre su velocidad (u) y la profundidad (y).

La expresión de la Ley de la Viscosidad de Newton se asemeja a la de una recta (y = b + mx), siendo la pendiente (m) la viscosidad y b = 0, por lo que pasa por el origen de coordenadas.

La relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación es lineal, siendo la viscosidad la constante de proporcionalidad entre ambas variables.

Tipos de fluidos
Figura3. Tipos de fluidos

Los ejemplos más claros de fluidos newtonianos son el agua y el aire.

Agua, claro ejemplo de fluido newtoniano
Agua, claro ejemplo de fluido newtoniano

2.- FLUIDOS NO NEWTONIANOS

Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con la temperatura y presión, pero no con la variación de la velocidad.

Los fluidos no newtonianos no cumplen con la Ley de Viscosidad de Newton. Se clasifican en independientes del tiempo y dependientes del tiempo.

Tabla 1. Fluidos no newtonianos
Tabla 1. Fluidos no newtonianos

2.1.- INDEPENDIENTES DEL TIEMPO

El esfuerzo cortante solo depende de la velocidad de deformación.

2.1.1.- PLÁSTICOS DE BINGHAM

Relación lineal entre el esfuerzo cortante y el gradiente de deformación una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo cortante (Como puede observase en la Figura 3, no pasa por el origen).

Ketchup
Ketchup

Esto explica por qué para hacer que el ketchup fluya es necesario agitarlo (aplicarle un esfuerzo cortante) previamente.

Otros ejemplos de plásticos de Bingham son la pasta dental y el chocolate.

2.1.2.- PSEUDOPLÁSTICOS

La viscosidad se reduce con el esfuerzo cortante. Es un comportamiento propio de las suspensiones, en ellas hay una cierta cantidad de partículas sólidas que forman microfibras. A bajo esfuerzo cortante, estas microfibras se empaquetan aleatoriamente, pero al aumentar la fuerza tangencial aplicada, se estiran en la dirección de dicho esfuerzo cortante, disminuyendo la viscosidad (Ver Figura 4).

Figura 4. Cadenas moleculares en pseudoplásticos a esfuerzo cortante bajo (izquierda) y alto (derecha)
Figura 4. Cadenas moleculares en pseudoplásticos a esfuerzo cortante bajo (izquierda) y alto (derecha)

Ejemplos: champú, salsas, nata.

Champú
Champú

Si frotas un poco de champú entre los dedos notarás que irá ofreciendo menos resistencia a fluir conforme lo vas haciendo.

2.1.3.- DILATANTES

La viscosidad se incrementa con el esfuerzo cortante. Este comportamiento es característico de las emulsiones, en ellas el movimiento relativo entre las partículas del fluido en movimiento hace que aumenten las uniones dipolares, aumentando así la viscosidad.

Ejemplos: suspensiones concentradas de almidón y de arena húmeda.

Aquí os dejo un par de vídeos donde se muestra el comportamiento de estos fluidos.

2.2.- DEPENDIENTES DEL TIEMPO

La viscosidad depende también del tiempo durante el cual el fluido es sometido a esfuerzo.

Figura 5. Variación de la velocidad de deformación con el tiempo en fluidos no newtonianos dependientes del tiempo
Figura 5. Variación de la velocidad de deformación con el tiempo en fluidos no newtonianos dependientes del tiempo
Comportamiento de fluidos dependientes del tiempo
Figura 6. Comportamiento de fluidos dependientes del tiempo

2.2.1.- TIXOTRÓPICOS

La viscosidad aparente disminuye con el tiempo. Al igual que en los pseudoplásticos, este tipo de fluidos forman microfibras que se reorientan al aplicar un esfuerzo cortante, una vez cesado dicho esfuerzo las microfibras vuelven a su posición original.

Ejemplos: yogur, mayonesa, margarina.

2.2.2.- REOPÉCTICOS

Se manifiesta en un aumento de la viscosidad con el aumento de la velocidad de corte. Mientras se aplica un esfuerzo cortante se comportan al igual que los fluidos dilatantes, pero una vez que se deja de aplicar esta fuerza las uniones dipolares que se habían formado se rompen.

Ejemplos: pastas de yeso y algunas tintas de impresora.

Vídeo que muestra el comportamiento de fluidos reopécticos y tixotrópicos:

2.2.3.- VISCOELÁSTICOS

Fluyen cuando se aplica en ellos un esfuerzo de corte, pero tienen la particularidad de recuperar parcialmente su estado inicial, presentando entonces características de los cuerpos elásticos. Esta mezcla de propiedades viscosas y elásticas puede deberse a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos.

Ejemplos: polímeros fundidos, soluciones de polímeros.

Aquí tenéis un vídeo con algunos efectos de los fluidos viscoelásticos

Para terminar, os dejo un vídeo en el que se observan algunas propiedades curiosas de líquidos mediante experimentos caseros. Algunos de ellos pueden explicarse por lo comentado a lo largo de este artículo (puedes averiguar cuáles).

¡Gracias y nos leemos pronto!

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