Fluidos No Newtonianos | Propiedades, Usos y Comportamiento: Aprende sobre sus propiedades únicas, aplicaciones diarias y cómo desafían la física convencional.
Fluidos No Newtonianos: Propiedades, Usos y Comportamiento
Los fluidos no newtonianos representan una fascinante categoría dentro de la física y la ingeniería. A diferencia de los fluidos newtonianos, como el agua o el aceite, cuyo comportamiento se describe de acuerdo a la ley de viscosidad de Newton, los fluidos no newtonianos no siguen una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. En este artículo, exploraremos las propiedades, los usos y el comportamiento de estos fluidos peculiares.
Propiedades de los Fluidos No Newtonianos
La principal característica que distingue a los fluidos no newtonianos de los newtonianos es la dependencia de su viscosidad respecto al esfuerzo cortante aplicado. En los fluidos newtonianos, la viscosidad es constante, mientras que en los no newtonianos, esta puede variar. Existen varios tipos de fluidos no newtonianos, los cuales pueden clasificarse en las siguientes categorías:
- Plásticos de Bingham: Requieren una tensión umbral para comenzar a fluir. Un ejemplo común es la pasta de dientes.
- Fluidos pseudoplásticos: Su viscosidad disminuye al aumentar la tasa de deformación. Un ejemplo es la pintura, que se vuelve más fluida cuando se agita.
- Dilatantes: Su viscosidad aumenta con la tasa de deformación. Un ejemplo clásico es una mezcla de maicena y agua, conocida como oobleck.
- Reopécticos: Su viscosidad aumenta con el tiempo bajo un esfuerzo constante. Un ejemplo raro puede ser ciertas suspensiones de arcilla y agua.
- Tixotrópicos: Su viscosidad disminuye con el tiempo bajo un esfuerzo constante. Un ejemplo es la miel, que se vuelve más líquida cuando se revuelve constantemente.
Comportamiento de Fluidos No Newtonianos
Para entender mejor el comportamiento de los fluidos no newtonianos, consideremos una fórmula fundamental que describe a los fluidos newtonianos:
\(\tau = \mu \dot{\gamma}\)
Donde \(\tau\) es el esfuerzo cortante, \(\mu\) es la viscosidad, y \(\dot{\gamma}\) es la tasa de deformación cortante. En los fluidos no newtonianos, esta relación no es lineal y puede representarse de diversas maneras. A continuación, describiremos los comportamientos bajo condiciones de esfuerzo cortante:
- Fluidos pseudoplásticos: En estos fluidos, la relación entre el esfuerzo cortante y la tasa de deformación cortante puede representarse como \(\tau = k \dot{\gamma}^{n}\), donde \(0 < n < 1\) y \(k\) es una constante específica del fluido. Esto implica que a medida que se aumenta la tasa de deformación, la viscosidad aparente disminuye.
- Fluidos dilatantes: En estos casos, la relación es similar, pero con \(n > 1\). Esto indica que la viscosidad aparente aumenta con la tasa de deformación.
- Plásticos de Bingham: Para estos fluidos, existe un punto de cedencia \(\tau_{y}\) que debe superarse antes de que el fluido comience a fluir, representado como \(\tau = \tau_{y} + \mu \dot{\gamma}\).
Usos de los Fluidos No Newtonianos
Los fluidos no newtonianos tienen múltiples aplicaciones en diferentes industrias debido a sus propiedades únicas:
- Industria alimenticia: Muchos alimentos procesados, como mermeladas, yogur y ketchup, son fluidos no newtonianos. Su comportamiento pseudoplástico facilita su procesamiento y consumo.
- Medicina: Geles medicinales y cremas son ejemplos de fluidos no newtonianos. Su comportamiento tixotrópico permite una aplicación más fácil sobre la piel.
- Materiales de construcción: El hormigón es un ejemplo de un fluido tixotrópico que se comporta como un plástico de Bingham, lo que facilita su colocación en moldes y su fraguado posterior.
- Equipos de protección: Los fluidos dilatantes se usan en chalecos antibalas y otros equipos de protección, donde su viscosidad aumenta drásticamente bajo impacto, proporcionando una barrera efectiva contra fuerzas penetrantes.
Conclusión
Los fluidos no newtonianos representan un campo intrigante y diverso de estudio en la física y la ingeniería. Su comportamiento único y sus propiedades variables bajo diferentes condiciones de esfuerzo cortante los hacen ideales para una variedad de aplicaciones industriales y cotidianas. Desde la comida que comemos hasta los equipos de protección que usamos, los fluidos no newtonianos juegan un papel crucial en nuestra vida diaria. Comprender estos fluidos no solo nos ayuda a innovar en tecnología sino también a mejorar procesos de fabricación y productos de consumo.