Fluidos no newtonianos

El estado de la deformación y las características de flujo de las sustancias se denomina reología (campo que estudia la viscosidad de los fluidos). Es importante saber si un fluido es newtoniano o no newtoniano. A cualquier fluido que se comporte de acuerdo a la siguiente ecuación se le llama fluido newtoniano:

τ yz=−μ0

dV z

d y→τ yz=−n

dV z

d y

La viscosidad n sólo es función de la condición del fluido, en particular de su temperatura.

La magnitud del gradiente de velocidad ∆v∆ y

no tiene ningún efecto sobre la magnitud n. A

los fluidos más comunes se les clasifica como newtonianos.

Por lo tanto un fluido que no se comporte de acuerdo a la ecuación anterior se le denomina fluido no newtoniano. La viscosidad del fluido no newtoniano depende del

gradiente de velocidad, además de la condición del fluido. Este tipo de fluidos se comportan como fluidos newtonianos cuando la tensión o fuerza aplicada es pequeña. Sin embargo sobre ellos si se les aplica una tensión intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud.

De acuerdo al modelo anterior, en las regiones en que n disminuye al aumentar el gradiente el comportamiento se denomina pseudoplástico; y dilatante en las que n aumenta con dicho gradiente. Como se puede observar es más difícil provocar una deformación en un dilatante que en un pseudoplástico, por lo tanto, en los pseudoplásticos se ocupa poco esfuerzo cortante para tener mayor deformación. Si n

resulta independiente del gradiente de velocidad, el fluido se comportan como newtoniano y entonces n=μ . (Más adelante se verá esta relación de forma más clara).

Debido a que los fluidos newtonianos tienen una relación lineal entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad, la pendiente es constante y, por tanto, la viscosidad es constante también. La pendiente de las curvas para los fluidos no newtonianos varía. Por lo tanto la viscosidad cambia con el gradiente de velocidad

Aunque por el comportamiento también podemos encontrarlo así:

Además es importante clasificar los fluidos no newtonianos en independientes del tiempo o dependientes del tiempo. Como su nombre lo dice, los fluidos independientes tienen una viscosidad que no varía con el tiempo, a cualquier esfuerzo cortante dado. Sin embargo, la viscosidad de los fluidos dependientes del tiempo cambia si varía éste.

El modelo del comportamiento de los fluidos dependientes del tiempo es:

Los que no dependen del tiempo:

Pseudoplásticos. La curva de dicho fluido comienza con mucha pendiente, lo cual indica una viscosidad aparente elevada. Después, la pendiente disminuye con el incremento del gradiente de velocidad. Ejemplos de estos fluidos son el plasma sanguíneo, polietileno fundido, látex, almibares, adhesivos, melaza y tintas, arcilla leche y gelatina.

Fluidos dilatantes. La gráfica del esfuerzo cortante versus el gradiente de velocidad queda por debajo de la línea recta para fluidos newtonianos. La curva comienza con poca pendiente, lo que indica viscosidad aparente baja. Después, la pendiente se incrementa conforme crece el gradiente de velocidad. Algunos ejemplos son el etilenglicol, almidón en agua, el almidón de maíz.

Fluidos de Bingham. En ocasiones reciben el nombre de fluidos de inserción y requieren la aplicación de un nivel significativo de esfuerzo cortante antes de que comience el flujo. Una vez que el flujo se inicia, la pendiente de la curva es lineal, en esencia, lo que indica una viscosidad aparente constante. Algunos ejemplos son el chocolate, salsa cátsup, mostaza, mayonesa, pasta de dientes, pintura, asfalto, ciertas grasas y suspensiones de agua y ceniza o fango del drenaje.

Los fluidos que dependen del tiempo son muy difíciles de analizar porque la viscosidad aparente varia con el tiempo, así como con el gradiente de velocidad y la temperatura. Ejemplos de fluidos que dependen del tiempo son ciertos petróleos crudos a temperaturas bajas, tinta para impresoras, nylon, ciertas gelatinas, mezcla de harina y varias soluciones de polímetros. Dichos fluidos son tixotrópicos. (La viscosidad aparente decrece con la duración de esfuerzo aplicado).

Tixotrópicos. Se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus moléculas. Dichos fluidos, una vez aplicado un estado de cizallamiento (esfuerzo cortante), sólo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo. La viscosidad va disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al cesar dicha fuerza debido a la reconstrucción de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio.

Reopécticos. La viscosidad aparente se incrementa con la duración del esfuerzo aplicado. Ósea que su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada y presentan una histéresis inversa a estos últimos. Esto es debido a que si se aplica una fuerza se produce una formación de enlaces intermoleculares conllevando un aumento de la viscosidad, mientras que si cesa ésta se produce una destrucción de los enlaces, dando lugar a una disminución de la viscosidad. Ejemplos de estos son algunos lubricantes.

Otros más considerados dependientes del tiempo son:

Fluidos electrorreológicos. Están en desarrollo fluidos que poseen propiedades únicas, controlables por medio de la aplicación de una corriente eléctrica. A veces se les conoce como fluidos ER, y son suspensiones de partículas finas como almidón, polímeros y cerámicas, en un aceite no conductor (como el aceite mineral o de silicón). Si no se les aplica corriente se comporta como otros líquidos. Pero si se les aplica, se convierte en un gel y se comporta más bien como un sólido. El cambio ocurre en menos de 1/100 s. Algunas aplicaciones potenciales de estos fluidos las encontramos en la sustitución de válvulas convencionales, en embragues, en sistemas de suspensión para vehículos y maquinas y en actuadores automáticos.

Fluidos magnetorreologicos. (MR) son similares a los anteriores, y contienen partículas suspendidas en una base de fluido. Sin embargo, en este caso, las partículas son polvos finos de fierro. El fluido base puede ser un aceite de petróleo, de silicón o agua. Cuando no hay un campo magnético presente, el fluido MR se comporta en forma muy parecido a otros.la presencia de un campo magnético hace que el fluido se convierta, virtualmente, en un sólido tal que soporte un esfuerzo cortante de hasta 100 kPa. El cambio se controla por medios electrónicos con mucha rapidez. Sus aplicaciones se encuentran en los amortiguadores de choques, embragues, frenos, etc.

También hay otro tipo de fluido, que es el viscoelástico. Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos. Estas sustancias fluyen cuando se aplica en ellas un esfuerzo de corte, pero tienen la particularidad de recuperar parcialmente su estado inicial, presentando entonces

características de los cuerpos elásticos. Un ejemplo típico es la agitación de un líquido en una taza con una cuchara, si el fluido es viscoso, cuando se retira la cuchara cesa el movimiento. Si el material es viscoelástico, al sacar la cuchara se puede observar que el movimiento se hace más lento e incluso puede llegar a cambiar levemente el sentido de giro antes de detenerse por completo. En esta categoría podemos mencionar a polímeros fundidos, soluciones de polímeros.

Modelos

Además se han propuesto numerosas ecuaciones empíricas o modelos para expresar la

relación que existe, en estado estacionario, entre τ yz y dV z

d y. A continuación sólo se

hablaran de los dos más significativos.

Modelo de Bingham

τ yz=−μ0

dV z

d y± τ0

Donde el fluido se comporta como sólido cuando dV z

d y=0 entonces |τ yz|<τ0 . Así que

cuando |τ yz|>τ0 este fluye, por lo tanto se comporta como un fluido newtoniano. Toda

sustancia que se comporta por dicho modelo es llamado como plástico de Bingham.

Modelo de Ostwald- de Waele

τ yz=−m|dV x

d y |n−1dV xd y

También se le conoce con el nombre de ley de la potencia.

Si:

n < 1 Hablamos de un pseudoplástico. n=1 Se transforma en la ley de la viscosidad de Newton, siendo m=μ. n > 1 Hablamos de un dilatante.

Aplicaciones

Entre algunas de sus aplicaciones son:

Aplicación de la pintura. Se desea que fluya fácilmente cuando se aplica con el pincel y se le aplica una presión, pero una vez depositada sobre el lienzo se desea que no gotee.

Se investigan las utilidades de estos fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad.

Se utilizan en la fabricación para protecciones en deportes extremos como el skateboarding y el snowbording.

Un claro ejemplo de la aplicación de esta propiedad es en los amortiguadores. Ya que contiene un fluido newtoniano de baja viscosidad (amortiguación blanda). Sin embargo, en el momento en el que aplicamos una fuerza magnética sobre el fluido, las partículas ferrosas se alinean y aumenta su viscosidad, con lo que pasa a comportarse de una forma pseudoplástica, no newtoniana (amortiguación dura). Por lo que las posibles aplicaciones de este tipo de fluidos son innumerables: amortiguación de vibraciones, protección antisísmica de estructuras, embrague, frenado.

Como el asfalto es un material es viscoso, pegajoso y de color negro, muy impermeable, adherente y cohesivo, capaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo la acción

de cargas permanentes, presenta las propiedades ideales para la construcción de pavimentos cumpliendo las siguientes funciones:

Impermeabilizar la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de la precipitación.

Proporciona una íntima unión y cohesión entre agregados, capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos. Igualmente mejora la capacidad portante de la estructura, permitiendo disminuir su espesor.

Como se dijo anteriormente, los fluidos electroreológicos tienen algunas aplicaciones potenciales; y las encontramos en la sustitución de válvulas convencionales, en embragues, en sistemas de suspensión para vehículos y máquinas y en actuadores automáticos. Y los magnetorreológicos Sus aplicaciones se encuentran en los amortiguadores de choques, embragues, frenos, etc.

Referencias

Bird , “Fenómenos de transporte”, Editorial Reverte

Robert Moore, “Mecánica de fluidos”, 6ta edición, Pearson Prentice Hall.

http://www.slideshare.net/JulioNP/fluidos-no-newtonianos-9406990