Un fluido no newtoniano es un fluido que no sigue la ley de viscosidad de Newton , es decir, una viscosidad constante independiente de la tensión. En los fluidos no newtonianos, la viscosidad puede cambiar cuando se aplica una fuerza a más líquido o más sólido. La salsa de tomate , por ejemplo, se vuelve más líquida cuando se agita y, por lo tanto, es un fluido no newtoniano. Muchos de sal soluciones y polímeros fundidos son fluidos no newtonianos, como lo son muchas sustancias que se encuentran comúnmente tales como natillas , [1] la miel , [1] la pasta de dientes , almidón suspensiones, almidón de maíz , pintura , sangre, mantequilla derretida y champú .
Más comúnmente, la viscosidad (la deformación gradual por esfuerzo cortante o de tracción) de los fluidos no newtonianos depende de la velocidad de corte o del historial de velocidad de corte. Sin embargo, algunos fluidos no newtonianos con viscosidad independiente del cizallamiento todavía exhiben diferencias de tensión normales u otro comportamiento no newtoniano. En un fluido newtoniano, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte es lineal, pasando por el origen , siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de viscosidad. En un fluido no newtoniano, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte es diferente. El fluido puede incluso presentar una viscosidad dependiente del tiempo . Por tanto, no se puede definir un coeficiente de viscosidad constante.
Aunque el concepto de viscosidad se usa comúnmente en mecánica de fluidos para caracterizar las propiedades de corte de un fluido, puede ser inadecuado para describir fluidos no newtonianos. Se estudian mejor a través de varias otras propiedades reológicas que relacionan tensores de tensión y velocidad de deformación bajo muchas condiciones de flujo diferentes, como cizallamiento oscilatorio o flujo extensional, que se miden utilizando diferentes dispositivos o reómetros . Las propiedades se estudian mejor utilizando ecuaciones constitutivas valoradas por tensores , que son comunes en el campo de la mecánica del continuo .
Tipos de comportamiento no newtoniano
Resumen
Viscoelástica | Material Kelvin , material Maxwell | Combinación lineal "paralela" de efectos elásticos y viscosos [2] | Algunos lubricantes , crema batida , Silly Putty |
Viscosidad dependiente del tiempo | Reopectía | La viscosidad aparente aumenta con la duración del estrés. | Líquido sinovial , tinta de impresora , pasta de yeso |
Tixotrópico | La viscosidad aparente disminuye con la duración de la tensión [2] | Yogur , mantequilla de maní , soluciones de goma xantana , geles acuosos de óxido de hierro, geles de gelatina , geles de pectina , aceite de ricino hidrogenado , algunas arcillas (incluidas bentonita y montmorillonita ), suspensión de negro de carbón en caucho fundido para neumáticos, algunos lodos de perforación , muchas pinturas , muchas suspensiones de flóculos , muchas suspensiones coloidales | |
Viscosidad no newtoniana | Engrosamiento por cizallamiento (dilatante) | La viscosidad aparente aumenta con un mayor estrés [3] | Suspensiones de almidón de maíz en agua (oobleck) |
Adelgazamiento por cizallamiento (pseudoplástico) | La viscosidad aparente disminuye con el aumento de la tensión [4] [5] | Esmalte de uñas , crema batida , ketchup , melaza , jarabes, pulpa de papel en agua, pintura de látex , hielo , sangre , algunos aceites de silicona , algunos recubrimientos de silicona , arena en agua | |
Fluidos newtonianos generalizados | La viscosidad es constante. La tensión depende de las tasas de deformación normal y cortante y también de la presión aplicada | Plasma sanguíneo , natillas , agua |
Fluido espesante de cizallamiento
La viscosidad de un fluido espesante de cizallamiento , o fluido dilatante , parece aumentar cuando aumenta la velocidad de cizallamiento. El almidón de maíz suspendido en agua ("oobleck", ver más abajo ) es un ejemplo común: cuando se agita lentamente se ve lechoso, cuando se agita vigorosamente se siente como un líquido muy viscoso.
Fluido adelgazador por cizallamiento
Un ejemplo conocido de lo contrario, un fluido diluyente por cizallamiento , o fluido pseudoplástico, es la pintura para paredes : la pintura debe fluir fácilmente de la brocha cuando se aplica a una superficie, pero no gotee excesivamente. Tenga en cuenta que todos los fluidos tixotrópicos son extremadamente diluyentes por cizallamiento, pero dependen significativamente del tiempo, mientras que los fluidos coloidales de "dilución por cizallamiento" responden instantáneamente a los cambios en la velocidad de cizallamiento. Por tanto, para evitar confusiones, esta última clasificación se denomina más claramente pseudoplástica.
Otro ejemplo de fluido diluyente por cizallamiento es la sangre. Esta aplicación se ve muy favorecida dentro del cuerpo, ya que permite que la viscosidad de la sangre disminuya con una mayor tasa de deformación por cizallamiento.
Plástico Bingham
Los fluidos que tienen una relación de esfuerzo cortante lineal / deformación cortante pero requieren un límite elástico finito antes de comenzar a fluir (la gráfica de esfuerzo cortante contra deformación cortante no pasa por el origen) se denominan plásticos de Bingham . Varios ejemplos son las suspensiones de arcilla, lodo de perforación, pasta de dientes, mayonesa, chocolate y mostaza. La superficie de un plástico Bingham puede contener picos cuando está quieta. En contraste, los fluidos newtonianos tienen superficies planas sin rasgos cuando están quietos.
Reopéctico o antitixotrópico
También hay fluidos cuya velocidad de deformación es función del tiempo. Los fluidos que requieren un esfuerzo cortante que aumenta gradualmente para mantener una tasa de deformación constante se denominan reopécticos . Un caso opuesto a esto es un fluido que se adelgaza con el tiempo y requiere un esfuerzo decreciente para mantener una tasa de deformación constante ( tixotrópico ).
Ejemplos de
Muchas sustancias comunes presentan flujos no newtonianos. Estos incluyen: [6]
- Soluciones de jabón, cosméticos y pasta de dientes.
- Alimentos como mantequilla , queso , mermelada , mayonesa , sopa , caramelo y yogur
- Sustancias naturales como magma , lava , gomas , miel y extractos como el extracto de vainilla
- Líquidos biológicos como sangre , saliva , semen , moco y líquido sinovial.
- Lechadas como lechada de cemento y pulpa de papel, emulsiones como mayonesa y algunos tipos de dispersiones.
Oobleck
Un ejemplo económico y no tóxico de un fluido no newtoniano es una suspensión de almidón (p. Ej., Almidón de maíz) en agua, a veces llamado "oobleck", "exudado" o "barro mágico" (1 parte de agua por 1,5-2 partes de almidón de maíz). [8] [9] [10] El nombre "oobleck" se deriva del libro del Dr. Seuss Bartholomew and the Oobleck . [8]
Debido a sus propiedades dilatantes , el oobleck se usa a menudo en demostraciones que exhiben su comportamiento inusual. Una persona puede caminar sobre una gran tina de oobleck sin hundirse debido a sus propiedades de espesamiento por cizallamiento, siempre que el individuo se mueva lo suficientemente rápido para proporcionar suficiente fuerza con cada paso para causar el engrosamiento. Además, si oobleck se coloca en un subwoofer grande con un volumen suficientemente alto, se espesará y formará ondas estacionarias en respuesta a las ondas sonoras de baja frecuencia del altavoz. Si una persona golpeara o golpeara oobleck, se espesaría y actuaría como un sólido. Después del golpe, el oobleck volverá a su estado líquido delgado.
Flubber (limo)
El flubber, también conocido como limo, es un fluido no newtoniano, que se fabrica fácilmente con pegamentos a base de alcohol polivinílico (como el pegamento blanco "escolar") y bórax . Fluye bajo tensiones bajas pero se rompe bajo tensiones y presiones más altas. Esta combinación de propiedades fluidas y sólidas lo convierte en un fluido Maxwell . Su comportamiento también puede describirse como viscoplástico o gelatinoso . [11]
Aderezo de caramelo frío
Otro ejemplo de esto es la cobertura de helado de caramelo frío (siempre que incorpore hidrocoloides como carragenina y goma gellan ). La aplicación repentina de fuerza —por ejemplo, apuñalando la superficie con un dedo, o invirtiendo rápidamente el recipiente que lo sostiene— hace que el fluido se comporte más como un sólido que como un líquido. Ésta es la propiedad de " espesamiento por cizallamiento " de este fluido no newtoniano. Un tratamiento más suave, como introducir lentamente una cuchara, lo dejará en estado líquido. Sin embargo, si intenta volver a sacar la cuchara, se activará el retorno del estado sólido temporal. [12]
Masilla tonta
Silly Putty es una suspensión a base de polímero de silicona que fluirá, rebotará o se romperá dependiendo de la velocidad de deformación.
Resina vegetal
La resina vegetal es un polímero sólido viscoelástico . Cuando se deja en un recipiente, fluirá lentamente como un líquido para adaptarse a los contornos de su recipiente. Sin embargo, si se golpea con mayor fuerza, se romperá como un sólido.
Arena movediza
Las arenas movedizas son un coloide no newtoniano adelgazador que gana viscosidad en reposo. Las propiedades no newtonianas de las arenas movedizas se pueden observar cuando experimenta un ligero impacto (por ejemplo, cuando alguien camina sobre ellas o las agita con un palo), cambiando entre su fase Gel y Sol y aparentemente licuándose, provocando objetos en la superficie de las arenas movedizas. hundir.
Salsa de tomate
La salsa de tomate es un fluido adelgazador . [3] [13] El adelgazamiento por cizallamiento significa que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el esfuerzo cortante . En otras palabras, el movimiento del fluido es inicialmente difícil a velocidades lentas de deformación, pero fluirá más libremente a velocidades altas. Agitar una botella invertida de salsa de tomate puede hacer que cambie a una viscosidad más baja, lo que resulta en un chorro repentino del condimento diluido por cizallamiento.
Flujos granulares secos
En determinadas circunstancias, los flujos de materiales granulares se pueden modelar como un continuo, por ejemplo, utilizando la reología μ ( I ) . Tales modelos continuos tienden a ser no newtonianos, ya que la viscosidad aparente de los flujos granulares aumenta con la presión y disminuye con la velocidad de corte. La principal diferencia es el esfuerzo cortante y la velocidad de corte.
Ver también
- Fluido complejo
- Dilatante
- Dinámica de partículas disipativas
- Fluido newtoniano generalizado
- Fluido Herschel-Bulkley
- Licuefacción
- Ecuaciones de Navier-Stokes
- Fluido newtoniano
- Pseudoplástico
- Arena movediza
- Arcilla rápida
- Reología
- Superfluidos
- Tixotropía
- Efecto Weissenberg
Referencias
- ↑ a b Ouellette, Jennifer (2013). "An-Ti-Ci-Pa-Tion: la física de la miel que gotea" . Scientific American .
- ^ a b Tropea, Cameron; Yarin, Alexander L .; Foss, John F. (2007). Manual de Springer de mecánica de fluidos experimental . Saltador. págs. 661, 676. ISBN 978-3-540-25141-5.
- ^ a b Garay, Paul N. (1996). Libro de escritorio de aplicación de bombas (3ª ed.). Prentice Hall. pag. 358. ISBN 978-0-88173-231-3.
- ^ Rao, MA (2007). Reología de alimentos fluidos y semisólidos: principios y aplicaciones (2ª ed.). Saltador. pag. 8. ISBN 978-0-387-70929-1.
- ^ Schramm, Laurier L. (2005). Emulsiones, espumas y suspensiones: fundamentos y aplicaciones . Wiley VCH. pag. 173. ISBN 978-3-527-30743-2.
- ^ Chhabra, RP (2006). Burbujas, gotas y partículas en fluidos no newtonianos (2ª ed.). Hoboken: Taylor & Francis Ltd. págs. 9–10. ISBN 978-1420015386.
- ^ Esta demostración de oobleck es un tema popular para los videos de YouTube. [ cual? ]
- ^ a b "Oobleck: el experimento científico del Dr. Seuss" . instructables.com .
- ^ "Moco indignante" . Exploratorium .
- ^ Rupp, Rebecca (1998). "Barro mágico y otros grandes experimentos" . El libro completo de fuentes de aprendizaje en el hogar . págs. 235-236. ISBN 9780609801093.
- ^ Glurch Meets Oobleck Archivado el 6 de julio de 2010 en Wayback Machine . Extensión de la Universidad Estatal de Iowa .
- ^ Barra, Giuseppina (2004). La reología del caramelo (PhD). Universidad de Nottingham.
- ^ Cartwright, Jon (2 de septiembre de 2011). "La microscopía revela por qué chorros de salsa de tomate" . Mundo de la química . Real Sociedad de Química.
enlaces externos
- Experimentos clásicos con fluidos no newtonianos del Comité Nacional de Mecánica de Fluidos en YouTube