Fluidos no newtonianos: Viscosidad, Esfuerzo y Tasa de Corte

Fluidos no newtonianos: Viscosidad, Esfuerzo y Tasa de Corte. Aprende sobre sus propiedades únicas y cómo se comportan bajo diferentes condiciones de esfuerzo y corte.

Fluidos no newtonianos: Viscosidad, Esfuerzo y Tasa de Corte

La física de los fluidos no newtonianos es un campo fascinante que se desmarca de las reglas clásicas de la mecánica de fluidos newtoniana. Para entender mejor estos fluidos, es crucial analizar conceptos como la viscosidad, el esfuerzo y la tasa de corte.

¿Qué son los fluidos no newtonianos?

Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad no es constante y depende de la tasa de corte aplicada. Esto contrasta con los fluidos newtonianos, como el agua o el aire, cuya viscosidad permanece constante sin importar la tasa de corte.

Viscosidad

La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a deformarse bajo esfuerzo. En fluidos newtonianos, la relación entre el esfuerzo cortante (τ) y la tasa de corte (\(\dot{\gamma}\)) es lineal y se describe mediante la ley de Newton:

\[
\tau = \eta \cdot \dot{\gamma}
\]

donde \(\eta\) es la viscosidad del fluido. Sin embargo, en fluidos no newtonianos, esta relación no es lineal.

Esfuerzo Cortante y Tasa de Corte

Para profundizar, debemos definir el esfuerzo cortante y la tasa de corte. El esfuerzo cortante es la fuerza por unidad de área aplicada paralelamente a una superficie. Se mide en pascales (Pa). La tasa de corte, por otro lado, es el cambio de velocidad del fluido a lo largo de una línea perpendicular a la dirección del flujo y se mide en \(s^{-1}\).

Tipos de Fluidos no Newtonianos

Existen varios tipos de fluidos no newtonianos, cada uno con comportamientos únicos frente al esfuerzo y la tasa de corte:

Fluidos Pseudoplásticos: En estos fluidos, la viscosidad disminuye al aumentar la tasa de corte. Un ejemplo común es la sangre.

Fluidos Dilatantes: Aquí, la viscosidad aumenta al aumentar la tasa de corte. Un ejemplo famoso es una mezcla de agua y maicena, también conocido como “fluido Oobleck”.

Fluidos de Bingham: Estos fluidos requieren un esfuerzo inicial, conocido como límite de fluencia, para comenzar a fluir. Un ejemplo típico es la pasta de dientes.

Modelos Matemáticos

Para describir el comportamiento de estos fluidos, se utilizan modelos matemáticos específicos. Algunos de los más comunes incluyen:

Modelo de Ley de Potencia (Ostwald-de Waele):

Este modelo describe la relación entre el esfuerzo cortante y la tasa de corte mediante la siguiente ecuación:

\[
\tau = K \cdot \dot{\gamma}^n
\]

donde \(K\) es el índice de consistencia y \(n\) es el índice de comportamiento del flujo. Si \(n < 1\), el fluido es pseudoplástico. Si \(n > 1\), el fluido es dilatante.

Modelo de Bingham:

El modelo de Bingham se utiliza para describir fluidos con un esfuerzo de fluencia. La ecuación se presenta así:

\[
\tau = \tau_0 + \eta \cdot \dot{\gamma}
\]

donde \(\tau_0\) es el esfuerzo de fluencia.

Comportamiento bajo condiciones de flujo

La comprensión del comportamiento de estos fluidos bajo diferentes condiciones de flujo es crucial para su aplicación en la ingeniería y la industria. Algunos de los fenómenos que pueden ocurrir incluyen la turbulencia y la reología, que es la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia.