Ejemplo de fluido plástico de Bingham: aprende sobre la viscosidad, el estrés de cedencia y el comportamiento de flujo de estos fluidos en física.
Ejemplo de Fluido Plástico de Bingham: Viscosidad, Estrés de Cedencia y Flujo
En el campo de la física, uno de los conceptos más fascinantes es el comportamiento de los fluidos. Los fluidos se comportan de diversas maneras bajo diferentes condiciones de estrés y temperatura. Uno de los tipos de fluidos más interesantes es el fluido plástico de Bingham. Este tipo de fluido no fluye hasta que se aplica un cierto nivel de estrés, conocido como estrés de cedencia. Una vez que se alcanza este estrés de cedencia, el fluido comienza a comportarse de una manera casi lineal con respecto al estrés adicional aplicado.
Características de un Fluido Plástico de Bingham
El fluido plástico de Bingham es un modelo reológico que describe un líquido o material pastoso que requiere un esfuerzo de corte inicial (estrés de cedencia \(\tau_0\)) antes de que comience a fluir. Después de superar ese esfuerzo inicial, el fluido se comporta de manera lineal. Es una representación perfecta de ciertos materiales como la pasta dentífrica, ciertos lodos y algunos alimentos procesados.
Viscosidad y Estrés de Cedencia
La viscosidad y el estrés de cedencia son dos parámetros clave para entender los fluidos plásticos de Bingham. La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a deformarse bajo esfuerzos de corte, mientras que el estrés de cedencia es el esfuerzo mínimo necesario para que el fluido comience a deformarse.
En términos matemáticos, el comportamiento de un fluido plástico de Bingham se puede describir con la siguiente ecuación simplificada:
\[ \tau = \tau_0 + \mu_p \cdot \dot{\gamma} \]
donde:
Este modelo implica que hasta que el estrés aplicado (\(\tau\)) no supere el estrés de cedencia (\(\tau_0\)), el fluido no fluirá. Una vez que el estrés de cedencia es superado, el esfuerzo adicional provoca un flujo con una relación lineal definida por la viscosidad plástica (\(\mu_p\)).
Teoría y Aplicaciones
La teoría detrás del comportamiento de los fluidos plásticos de Bingham se basa en la necesidad de un esfuerzo inicial para movilizar los elementos internos del fluido. En materiales como la pasta dentífrica, los componentes internos están en un estado semisólido retenidos entre sí por fuerzas intermoleculares. Solo cuando se aplica un esfuerzo superior al estrés de cedencia, estas fuerzas intermoleculares se vencen y el material comienza a fluir.
Los fluidos plásticos de Bingham tienen aplicaciones en una variedad de campos. Algunos ejemplos incluyen:
Comportamiento del Flujo
Para comprender mejor el flujo de un fluido plástico de Bingham, consideremos un experimento típico donde se aplica un esfuerzo de corte creciente al fluido mientras se mide la tasa de deformación resultante. Inicialmente, al aumentar el esfuerzo de corte, no se observa una tasa de deformación significativa hasta que el esfuerzo supera el estrés de cedencia (\(\tau_0\)). Una vez superado, la tasa de deformación (\(\dot{\gamma}\)) empieza a incrementarse linealmente con el esfuerzo de corte aplicado. Esta relación puede representarse gráficamente como una línea recta que no pasa por el origen, sino que se desplaza a lo largo del eje de estrés por el valor del estrés de cedencia (\(\tau_0\)).
Un ejemplo práctico de este comportamiento se puede observar cuando intentas sacar pasta dentífrica de un tubo. Necesitas apretar el tubo con cierta fuerza antes de que la pasta comience a salir. Esta fuerza inicial representa el estrés de cedencia (\(\tau_0\)). Una vez que la pasta empieza a salir, fluye de manera continua mientras mantengas la presión aplicada, lo cual corresponde a la viscosidad plástica del material (\(\mu_p\)).