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• Noe Valdeiglesias

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Viscosidad

En la animación, el fluido de abajo es más viscoso que el de arriba.

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento. Índice [ocultar]

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1 Explicación de la viscosidad

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2 Expresiones cuantitativas

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2.1 Fluido newtoniano

3 Unidades

o

3.1 Medidas de la viscosidad

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4 Véase también

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5 Referencias

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5.1 Bibliografía

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5.2 Enlaces externos

Explicación de la viscosidad[editar · editar código] Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez.

Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras.

Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.

Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos (véase Helio-II). La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Expresiones cuantitativas[editar · editar código] Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

Fluido newtoniano[editar · editar código]

Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano.

En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante

por la superficie de un fluido viene dada por:

donde: FR = fuerza cortante (paralela a la velocidad) A = area superficial del solido en contacto con el fluido , coeficiente de viscosidad dinámica. , altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido. Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

donde

es la velocidad del fluido.

Unidades[editar · editar código] Medidas de la viscosidad[editar · editar código] Véase también: Unidades de viscosidad.

La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:

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Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m1

·s-1] ; otras unidades: 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

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Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es elstokes (St).

Viscosidad dinámica Gas (a 0 °C): [μPa·s] Hidrógeno

8,4

Aire

17,4

Xenón

21,2

Agua (20ºC)

1002

Viscometro de tubo capilaar

En este método se hace una medición del tiempo necesario para que cierta cantidad de fluido pase por un tubo capilar (o de calibre pequeño) de longitud y diámetros conocidos, bajo una diferencia medida y constante de presiones. Se puede aplicar la ley de Hagen – Poiseuille, en el caso de que el flujo sea laminar, para calcular la viscosidad .

 = p*Dp*D4*128*Q* l en donde D es el diámetro interno de la tubería, p es la diferencia de presiones en la longitud l y es el gasto en volumen de flujo. Si se mide la presión en los extremos de la tubería, deben efectuarse ciertas correcciones para los cambios de distribución de velocidad y las pérdidas de entrada. Las correcciones dependen del aparato que se utilice. Teniendo en cuenta que la viscosidad depende de la temperatura, es necesario controlar y especificar la temperatura en todas las mediciones de la viscosidad. Viscometro rotatorio

Viscosímetro

Viscosimetro.

Un viscómetro (denominado también viscosímetro) es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newtonel primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos, postuló que dicha fuerza correspondía al producto del área superficial del líquido por el gradiente de velocidad, además de producto de una coeficiente de viscosidad. En 1884 Poiseuillemejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías.

Las pipetas de cristal pueden llegar a tener una reproducibilidad de un 0,1% bajo condiciones ideales, lo que significa que puede sumergirse en un baño no diseñado inicialmente para la medida de la viscosidad, con altos contenidos de sólidos, o muy viscosos. No obstante, es imposible emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos no-newtonianos, lo cual es un problema ya que la mayoría de los líquidos interesantes tienden a comportarse como fluidos no-newtonianos. Hay métodos estándares internacionales para realizar medidas con un instrumento capilar, tales como el ASTM D445. Índice [ocultar]

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1 Viscosímetros de Rotación

o 

1.1 Viscosímetro Stabinger

2 Viscosímetros que vibran dentro del agujero

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3 Véase también

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4 Enlaces externos

Viscosímetros de Rotación[editar · editar código]

Viscosímetro de Oswald.

Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Algunos de ellos son:

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El más común de los viscosímetros de rotación son los del tipo Brookfield que determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a una velocidad conocida.

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El vicosímetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque requerido para lograr una cierta rotación. Hay dos geometrías clásicas en este tipo de viscosímetro de rotación, conocidos como sistemas: "Couette" o "Searle".

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'Cono y plato' los viscómetros emplean un cono que se introduce en el fluido a una muy poca profundidad en contacto con el plato.

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El viscosímetro Stormer. Es un dispositivo rotatorio empleado para determinar la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las industrias de elaboración de pintura. Consiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se sumerge en un líquido y se pone a girar a 200 revoluciones por minuto, se mide la carga del motor para hacer esta operación la viscosidad se encuentra en unas tablas ASTMD 562, que determinan la viscosidad en unidades Krebs. El método se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.

Viscosímetro Stabinger[editar · editar código]

Al modificar el viscosímetro giratorio de tipo Couette clásico es posible combinar la precisión de la determinación de viscosidad cinemática con un amplio rango de medición. El cilindro externo del viscosímetro Stabinger es un tubo que gira a una velocidad constante dentro de una carcasa de cobre con temperatura controlada. El cilindro hueco interno –con forma de rotor cónico– es específicamente más liviano que las muestras llenadas y, por lo tanto, flota libremente dentro de ellas, centrado por fuerzas centrífugas. De este modo, se evita completamente toda fricción de los cojinetes; un factor inevitable en la mayoría de los dispositivos rotativos. Las fuerzas de cizallamiento del fluido en rotación impulsan el rotor, mientras que un imán dentro del rotor forma un freno de corriente inducidacon la carcasa de cobre alrededor. Se establece una velocidad equilibrada del rotor entre las fuerzas de impulso y retraso, que es una medida inequívoca de la viscosidad dinámica. La medición de velocidad y torque se implementa sin contacto directo mediante un sensor de efecto Hall que cuenta la frecuencia del campo magnético rotativo. Esto permite una resolución de torque de alta precisión de 50 pN•m y un amplio rango de medición que se extiende desde 0,2 hasta 20.000 mPa•s con un único sistema de medición. Una medición de densidad incorporada basada en el principio de tubo en forma de «U» oscilante (véase también en inglés en:Oscillating U-tube) permite determinar la viscosidad cinemática de la viscosidad dinámica medida empleando la relación de algun objeto.

donde:

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es la viscosidad cinemática (mm2/s)

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es la viscosidad dinámica (mPa.s)

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es la densidad (g/cm3)

Viscosímetros que vibran dentro del agujero[editar · editar código] Los Viscosímetros que vibran son sistemas rugosos usados para medir viscosidad en las condiciones de proceso. La pieza activa del sensor es una barra que vibra. La amplitud de la vibración varía según la viscosidad del líquido en el cual se sumerge la barra. Estos son convenientes para medir los líquidos fluidos y de gran viscosidad (hasta 1.000.000 cP). Actualmente, muchas industrias alrededor del mundo consideran estos viscosímetros como el sistema más eficiente para medir la viscosidad, puesta en contraste con los visícometros rotatorios, que requieren más mantenimiento, inhabilidad de medir el estorbar del líquido, y calibración frecuente después de uso intensivo. Los viscosímetros de vibración no tienen ninguna pieza móvil, ningunas piezas débiles y las piezas sensibles son muy pequeñas.

Viscometro de caída de bola:

El viscosímetro de caída de bola VISCO BALL se basa en el sistema de medida Höppler. Mide el tiempo en el que una esfera sólida necesita para recorrer una distancia entre dos puntos de referencia dentro de un tubo inclinado con muestra. Los resultados obtenidos se determinan como viscosidad dinámica en unidades de medida estandarizada del Sistema Internacional (mPa·s). El VISCO BALL determina la viscosidad de líquidos Newtonianos y gases (con una bola especial para gases), con precisión. Entre sus aplicaciones figuran la investigación, el control de procesos y el control de calidad. Este viscosímetro se utiliza principalmente para substancias de baja viscosidad, entre 0,6 y 100.000 mPa·s, como: - Industria de aceites minerales (aceites, líquidos hidrocarbonos) - Industria alimentaria (soluciones de azúcar, miel, cerveza, leche, gelatina, zumos de frutas) - Industria química (soluciones de polímeros, disolventes, soluciones de resinas, dispersiones de látex, soluciones adhesivas) - Industria Cosmética/Farmacéutica (materias primas, glicerina, emulsiones, suspensiones, soluciones, estractos) - Industria petrolera (crudo, aceite para máquinas, petróleo) - Carburantes (petróleo, aceite diesel y parafina) - Industria papelera (emulsiones, dispersiones de pigmentos, aditivos del papel) - Pinturas y barnices (tintas para impresión, barnices, aquarelas, tintas) - Detergentes Cumple los requerimientos de las normativas DIN 53015 y ISO 12058.

Un fluido no newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y latensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio. Un ejemplo barato y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse fácilmente añadiendo almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en pequeñas proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad. Un ejemplo familiar de un fluido con el comportamiento contrario es la pintura. Se desea que fluya fácilmente cuando se aplica con el pincel y se le aplica una presión, pero una vez depositada sobre el lienzo se desea que no gotee. Dentro de los principales tipos de fluidos no newtonianos se incluyen los siguientes:

Tipo de fluido

Plásticos

Comportamie nto

Características

Plástico perfecto

La aplicación de una deformación no conlleva un esfuerzo de resistencia en sentido contrario

Plástico de Bingham

Relación lineal, o no lineal en algunos casos, entre el esfuerzo cortante y el gradiente de deformación una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo cortante

Fluidos que se Pseudoplástico comportan como seudoplásticos a partir de un determinado

Ej.

Metales dúctiles una vez superado el límite elástico

Barro, algunos coloides

valor del esfuerzo cortante

Dilatante

Fluidos que se comportan como dilatantes a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Seudoplástico

La viscosidad aparente se reduce con el gradiente del esfuerzo cortante

Dilatante

La viscosidad aparente se Soluciones concentradas incrementa con el deazúcar en agua, suspensiones gradiente del esfuerzo de almidón de maíz o de arroz. cortante

Material de Maxwell

Combinación lineal en serie de Metales, materiales compuestos efectos elásticos yvisc osos

Fluido Oldroyd-B

Combinación lineal de comportamiento como fluido newtoniano y como material de Maxwell

Material de Kelvin

Betún, masa Combinación lineal en panadera, nailon,plastilina paralelo de efectos elásticos yvisc osos

Fluidos que siguen la ley de potencias

Fluidosviscoelástico s

Plástico

Estos materiales siempre vuelven a un estado

Algunos coloides, arcilla, leche,gelatina, s angre.

de reposopredefinido

Reopéctico

La viscosidad aparente se incrementa con la duración delesfuerzo aplicado

Algunos lubricantes

Tixotrópico

La viscosidad aparente decrece con la duración de esfuerzo aplicado

Algunas variedades de mieles,kétchup, algunas pinturasantigoteo.

Fluidos cuyaviscosidaddepe nde del tiempo