Viscosidad Dinámica: Aprende sobre su medición, factores que la afectan y sus aplicaciones prácticas en diversos campos de la física y la ingeniería.
Viscosidad Dinámica: Medición, Factores y Aplicaciones
La viscosidad dinámica es una propiedad fundamental de los fluidos que describe su resistencia al flujo. En términos simples, es una medida de la “espesura” de un fluido. Al entender la viscosidad dinámica, podemos explicar por qué algunos líquidos, como la miel, fluyen más lentamente que otros, como el agua.
Teorías Fundamentales
La viscosidad dinámica, también conocida como viscosidad absoluta, suele representarse con la letra griega (eta). Es la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación en un fluido. Matemáticamente, esta relación se define por:
\(\tau = \eta \frac{du}{dy}\)
donde:
- \(\tau\): es el esfuerzo cortante
- \(\eta\): es la viscosidad dinámica
- \(\frac{du}{dy}\): es la gradiente de velocidad en la dirección perpendicular al flujo
Esta relación se deriva de la ley de Newton de la viscosidad, que establece que la fuerza necesaria para mover una capa de fluido en relación con otra es directamente proporcional al área de las capas y a la velocidad con la que se están moviendo entre sí.
Medición de la Viscosidad Dinámica
Para medir la viscosidad dinámica, se utilizan diferentes dispositivos conocidos como viscosímetros. Algunos de los tipos más comunes son:
- Viscosímetro Capilar: Este dispositivo mide el tiempo necesario para que una cantidad fija de fluido pase a través de un tubo estrecho bajo la influencia de la gravedad. La viscosidad se calcula usando la ley de Poiseuille que se expresa en la fórmula:
- r: es el radio del tubo capilar
- \(\Delta P\): es la diferencia de presión a lo largo del tubo
- L: es la longitud del tubo capilar
- Q: es el caudal volumétrico
- Viscosímetro de Rotación: Este tipo de viscosímetro mide la resistencia de un fluido a la rotación de un objeto sólido en su interior. La viscosidad se determina calculando el par o torque necesario para mantener una velocidad angular constante.
- Viscosímetro de Caída de Bola: En este método, se mide el tiempo que tarda una bola en caer a través de un fluido bajo la influencia de la gravedad. La viscosidad se calcula utilizando la ley de Stokes:
- \(\rho_s\): es la densidad de la bola
- \(\rho_f\): es la densidad del fluido
- g: es la aceleración debida a la gravedad
- a: es el radio de la bola
- v: es la velocidad terminal de la bola
\(\eta = \frac{\pi r^4 \Delta P}{8 L Q}\)
donde:
\(\eta = \frac{2 (\rho_s – \rho_f) g a^2 }{9 v}\)
donde:
Factores que Afectan la Viscosidad Dinámica
La viscosidad dinámica puede verse afectada por varios factores, entre los que destacan:
- Temperatura: En general, la viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura, mientras que la viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura. Este comportamiento se puede explicar en términos de la energía cinética de las moléculas en los fluidos. A mayor temperatura, las moléculas de un líquido tienen más energía para superar las fuerzas intermoleculares, facilitando así el flujo. En los gases, un aumento en la temperatura resulta en colisiones moleculares más frecuentes, aumentando la resistencia al flujo.
- Composición Química: La naturaleza de las moléculas en el fluido también tiene un impacto significativo. Los fluidos con moléculas más grandes o complejas suelen tener una mayor viscosidad debido a la mayor interacción intermolecular.
- Presión: En los líquidos, la presión tiene un efecto relativamente pequeño, ya que estos son incomprensibles. Sin embargo, en los gases, la presión tiene un impacto más notable porque un aumento en la presión incrementa la densidad del gas, lo que a su vez puede aumentar su viscosidad.
En la segunda parte de este artículo, exploraremos las aplicaciones de la viscosidad dinámica en la ingeniería y la industria, y cómo este concepto es vital en la fabricación y el diseño de productos tecnológicos avanzados.