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Viscosímetro de Tambor

Rotatorio

HISTORIA DE LOS VISCOSÍMETROS

Todo comenzó cuando se creó el concepto de Fluido Ideal1, con este alboroto Isaac Newton2

ideó una forma de clasificar los fluidos ideales y los fluidos que no son ideales. Para poder

hacer esta división realizó, lo que hoy se le conoce como LA LEY DE LA VISCOSIDAD DE

NEWTON, afirma que dada una rapidez de deformación en el fluido, el esfuerzo cortante es

directamente proporcional a la viscosidad, en ella incluyó diferentes cualidades que debe

tener un fluido ideal (fluido newtoniano) y las que debe tener un fluido no ideal (fluidos no

newtoniano). Como bien se sabe ningún fluido ideal, ya que todos los fluidos reales tienen

viscosidad, algunos fluidos que tienen una viscosidad muy baja se les puede llegar a

considerar como fluidos newtonianos; es aquí en donde entra el papel de los viscosímetros,

que son instrumentos que se utilizan para conocer la viscosidad dinámica o cinemática de

cualquier fluido real, utilizando diferentes métodos de trabajo cada uno de ellos, además, de

utilizar diferentes unidades de mediciones como el poise3, el stoke4, Pa(s) y el grado SAE5.

La ATSM Internacional produce estándares para medir y reportar mediciones de

viscosidad. También a los viscosímetros se les conoce como reómetros.

Los primeros reómetros como los Viscosímetros de Tambor Rotatorio fueron

desarrollados por Couette6 en 1890, un viscosímetro con unos cilindros unilaterales, que

utiliza el concepto de viscosidad dinámica en su

funcionamiento. Mediante el uso de esta sencilla ecuación:

Se hace girar el tambor exterior a una velocidad

angular constante, mientras que el tambor interior se

mantiene estacionario. Por consiguiente, el fluido que está en

contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad lineal, v,

conocida, mientras tanto el fluido que está en contacto con el

tambor interior tiene una velocidad cero. Debido a la

viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre

la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo de

un torque cuya magnitud puede medirse con un torquímetro

sensible. La magnitud de dicho torque es una medida de la tensión de corte del fluido.

1 Fluido Ideal.- es aquel en el cual no existe fricción entre sus partículas, osea que la viscosidad ( =0).

2 Sir Isaac Newton (1642-1727) Físico, Matemático y Astrónomo Inglés Creador de las 3 leyes del movimiento y la Ley de la Gravitación Universal entre sus principales aportaciones. 3 Poise: en honor a Jean Louis Marie Poiseuille.

4 Stoke: en honor a George Gabriel Stokes.

5 Grado SAE: nombre dado por la Society Automotors Engineers (SAE), apartir de 100°C derivado del centistoke. 6 Maurice Couette (1858-1943) Físico francés reconocido por su trabajo en la mecánica de fluidos.

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Viscosímetro de Vidrio Capilar Estándar

Baño que guarda viscosímetros capilares de vidrio estándar

De este aparato se deriva el viscosímetro de Stabinger que funciona mediante la creación de un campo magnético, utilizando imanes, haciendo de este un método novedoso.

Hablando de los verdaderos inicios de los viscosímetros tenemos el Viscosímetro de Tubo Capilar inventado por Pouseuille7 en 1828 como tiene como fundamento de funcionalidad la Ley de Poiseuille que ayuda a determinar mediante el uso de un tubo cilíndrico fino y un par de manómetros, la viscosidad y la velocidad de los flujos capilares. A posteriori los Viscosímetros de Vidrio Capilar Estándar o Viscosímetros de Ostwald. Fueron inventados en 1918 por Friedrich W. Ostwald8, para medir la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos.

Al preparar la prueba de viscosidad, el tubo del

viscosímetro se carga con una cantidad específica del fluido de prueba.

Después de estabilizar la temperatura de prueba, se aplica una succión para hacer pasar el fluido por el bulbo, ligeramente por arriba de la marca superior del tiempo. Se suspende la succión y se permite que el fluido circule por gravedad. La sección de trabajo del tubo es la capilar por debajo de la marca inferior del tiempo. La viscosidad cinemática se calcula con la multiplicación del tiempo del flujo por la constante de calibración de viscosímetro.

7 Jean L. Marie Poiseuille (1799-1864) Físico y fisiólogo francés. Inventó un viscosímetro y fue el primero (1828)

en utilizar el manómetro de mercurio para medir la presión arterial. 8 Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) Químico y filósofo alemán, ganador del premio Nobel de Química en 1909.

Viscosímetro de Tubo Capilar

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Viscosímetro de Bola que cae o de Höppler

Característica de la bola de acero

Viscosímetro de Saybolt Universal

En el año de 1933 Fritz Höppler crea lo que hoy se le conoce como viscosímetro de bola que cae o viscosímetro de Höppler utilizando el principio de la velocidad terminal. Hace que una bola esférica caiga a través de un fluido y se mida el

tiempo que requiere para recorrer una distancia conocida. Así es posible calcular la velocidad.

Para tomar el tiempo de descenso de la bola es

necesario que el fluido sea transparente, para así poder observarlo y llevar a cabo el registro. La esfera está hecha de acero inoxidable, una aleación de Níquel, Hierro y Vidrio.

En la actualidad el viscosímetro de Saybolt universal es uno de los más confiables debido a su excelente precisión, pero los antecedentes de este maravilloso invento, datan de finales del siglo XIX, en 1885 el Químico Inglés George M. Saybolt desarrolló un sistema para

obtener la viscosidad de un líquido, la cual se obtiene midiendo el tiempo en segundos que tarda en escurrir, a través de un orificio calibrado.

LÍNEA DEL TIEMPO

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ANEXO: VISCOSÍMETROS DISCONTINUOS Y CONTINUOS

Viscosímetros discontinuos que se basan en:

a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un

orificio. El orificio puede

sustituirse por un tubo

capilar.

b) Tiempo de caída de una

bola metálica o de ascensión

de una burbuja de aire en el

seno del fluido contenido en

un tubo o bien de caída de

un pistón en un cilindro.

c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa que gira a velocidad

constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al

elemento fijo.

Entre los viscosímetros continuos que permiten el control de la viscosidad se

encuentran los siguientes:

1. Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal

constante. Dos tomas situadas antes y después del tubo capilar se conectan a un transmisor

de presión diferencial neumático o electrónico.

2. Par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El elemento de forma

dada gira a través de un resorte calibrado por medio de un motor síncrono. El ángulo de

desviación en el movimiento entre el

eje del motor y el elemento inmerso en

el fluido es proporcional a la viscosidad.

Este ángulo se mide en desplazamiento

de contactos o en variación de

resistencia o capacidad.

3. Rotámetro con flotador sensible a la

viscosidad. Se mantiene un caudal

constante del fluido con lo que la

posición del flotador depende de la

viscosidad. Al rotámetro se le puede

acoplar un transmisor neumático o

electrónico.

4. Vibraciones o ultrasonidos. Se mide la energía necesaria para excitar una probeta en

vibración continua o que vibra ultrasónicamente en el seno del fluido.

5

¿CÓMO CONVERTIR DE GRADOS SAE A LAS UNIDADES DEL SISTEMA

INTERNACIONAL?

En el año 1898 se creó la ASTM9, en ese momento comenzaron a tener sentido ciertas cosas y

además comenzaba la época de la revolución tecnológica del siglo XX. La ASTM creo en los

años cuarentas, durante la época de la segunda guerra mundial, un sistema al que le

denominó grado SAE en el cual clasificaban los aceites para autos según su viscosidad en un

principio, después de un tiempo también comenzaron a clasificarlos conforme a sus

propiedades físicas y químicas; esto porque en algún tiempo exactamente entre los años

1923 y 1930 Henry Ford10 que se hizo cargo de la normalización de una gran cantidad de

materiales.

El grado SAE es como ya se dijo una forma de clasificar y medir la viscosidad, potencia

y resistencia de un aceite lubricante. Los aceites con el sufijo W se basan en la viscosidad

dinámica máxima a temperaturas frías, como el SAE 40W, sin embargo, los aceites sin el sufijo

W tienden a usarse para temperaturas elevadas, como el SAE 40; para los aceites que cuentan

con ambos denominaciones como el SAE 40W- 10, indica que este aceite se va a utilizar tanto

para temperaturas bajas como altas.

Para convertir de grado SAE al Sistema Internacional es muy simple, las tablas de

algunos aceites lubricantes para motores o engranes vienen dadas en centipoises para la

viscosidad dinámica y en centistokes para la viscosidad cinemática solo es cuestión de hacer

la clásica y muy conocida conversión de unidades, por ejemplo, 1 centipoise es igual a 1

milipascal por segundo, y un 1 centistoke es igual a 1 milímetro cuadrado por segundo.

9 ASTM: siglas de la American Society for Testing and Materials.

10 Henry Ford (1863-1947) Creador del primer automóvil con motor y además fundador de la Ford general motors.

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Grados SAE en aceites para motor

Temperatura Baja

(Viscosidad Dinámica)

Temperatura Alta

(Viscosidad cinemática) a

100°C en mm2/s

Grado SAE

Condición

Cigüeñal en

mPa(s)

Condición

Bombeo en

mPa(s)

Máx. Mín.

Temperatura Alta, tasa cortante

elevada a 150°C en mPa

Mín.

0W 6200 a -35 60000 a -40 3.8 --- ---

10W 7000 a -25 60000 a -30 4.1 --- ---

15W 7000 a -20 60000 a -25 5.6 --- ---

20W 9500 a -15 60000 a -20 5.6 --- ---

25W 13000 a -10 60000 a -15 9.3 --- ---

20 --- --- 5.6 9.3 2.6

30 --- --- 9.3 12.5 2.9

40 --- --- 12.5 16.3 2.9

50 --- --- 16.3 21.9 3.7

60 --- --- 21.9 26.1 3.7

Grados SAE para lubricantes de engranes

Grado SAE

Tmáx para Viscosidad

Dinámica de 15000mPa(s)

en (°C)

Viscosidad Cinemática a 100°C en mm2/s

Máx. Mín.

70W -55 4.1 ---

75W -40 4.1 ---

80W -26 7.0 ---

85W -12 11.0 ---

80 --- 7.0 11.0

85 --- 11.0 13.5

90 --- 13.5 24.0

140 --- 24.0 41.0

250 --- 41.0 ---

7

FLUIDOS REOLÓGICOS

Fluidos Newtonianos: Son aquellos fluidos que son casi ideales, porque en sí ningún fluido es

ideal, y que cumplen medianamente con la Ley de la Viscosidad de Newton. Ejemplos:

Agua

Glicerina

Gasolina

Fluidos Plásticos o de Bingham11: También se les llama fluidos de inserción y requieren la

aplicación de un esfuerzo cortante alto antes de que comience el flujo. Ejemplos:

Asfalto

Pintura

Grasas

Fluidos Pseudoplásticos o Tixotrópicos: Tienen una viscosidad ligeramente elevada y además

conforme aumenta la velocidad va fluyendo poco a poco más rápido. Ejemplos:

Polietileno fundido

Látex

Cintas Adhesivas

11 E. C. Bingham (1922) Fluidity and Plasticity McGraw-Hill

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Fluidos Newtonianos

Fluido Plástico

Fluido Pseudoplástico

Fluido Dilatante

Sólido Rígido

Fluido Ideal

Fluido Plástico Ideal

Velocidad de δ Esfuerzo de Cedencia

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Fluidos Plásticos Ideales: Ningún fluido plástico es ideal, en la gráfica se muestra que este de

fluido debe pasar por un ligero esfuerzo de cedencia antes de iniciar con el flujo.

Sólidos Rígidos: Son sólidos como cualquier otro, en la gráfica bien se observa que en los

sólidos rígidos no hay ninguna clase de flujo. Ejemplos:

Madera

Concreto

Acero

Fluidos Ideales o Fluidos Sin Viscosidad: Los fluidos ideales según suponía Sir Isaac Newton

son aquellos líquidos que no presentan ningún tipo de esfuerzo cortante, en la gráfica se

observa cómo no necesita nada moverse fluye y fluye libremente.

Fluidos Dilatantes: Su curva comienza con una ligera pendiente, pero la velocidad hace que el

esfuerzo cortante y la fluidez vayan paulatinamente aumentando. Ejemplos:

Etilenglicol (C2H6O2)

Dióxido de Titanio (TiO2)

Almidón de Agua (CH2O)

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BIBLIOGRAFÍA

www.google.com.mx

http://molten.latinclicks.info/newton_viscosidad.html

http://www.biografiasyvidas.com/monografia

http://www.educacionenergetica.org/web/docs/recursos/efemerides_abril.pdf

http://www.construsur.com.ar/News-sid-128-file-article-pageid-3.html

http://www.scielo.org.ve/img/fbpe/rlmm/v23n1/art02fig5.jpg

http://grupos.emagister.com/documento/historia_astm/6470-251874

Libro: Mecánica de Fluidos

o Autor: Robert L. Mott

o Edición: 6ta. Edición

o Editorial: Pearson Prentice Hall

Libro: Termodinámica

o Autores: Yunus A. Cengel y Michael A. Boles

o Edición: 6ta. Edición

o Editorial: Mc Graw Hill

Libro: Instrumentación Industrial

o Autor: Antonio Creus Solé

o Edición: 6ta. Edición

o Editorial: Alfa Omega