FLUIDO NO NEWTONIANO PP-EN-169

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Las moléculas que forman un líquido no están confinadas a posiciones fijas, como en los sólidos, sino que se pueden mover libremente de una posición a otra deslizándose entre sí. Mientras que un sólido conserva una forma determinada, un líquido toma la forma del recipiente que lo contiene.

Las moléculas de un líquido están cerca unas de otra y resisten mucho las fuerzas de compresión. Los líquidos como los sólidos, son difíciles de comprimir. Los gases, se comprimen con facilidad. Tanto los líquidos como los gases pueden fluir, y en consecuencia, ambos se denominan fluidos. La viscosidad es la medida de la resistencia a la deformación que presentan los fluidos al aplicarles un esfuerzo.

En dicha ley de la viscosidad, Newton establece que cuando se mueve un fluido, en forma “laminar”, existe una relación directamente proporcional entre los esfuerzos o tensiones aplicadas y los gradientes (aumentos, disminuciones) de la velocidad del flujo, siendo la constante de proporcionalidad una propiedad física del fluido llamada viscosidad dinámica o absoluta. Aquellos fluidos que verifican este comportamiento se denominan fluidos newtonianos.

Un ejemplo económico y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse fácilmente añadiendo almidón de maíz en agua en una proporción aproximada de dos a uno, añadiendo el último en pequeñas porciones y mezclando lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes.

Existe el problema de que en los libros de química es muy escasa la información que se tiene sobre este tipo de temas y el uso que tienen estos fluidos en el entorno social y en el internet se plantea como un tema específico y demasiado complejo para su comprensión.

Este tipo de fluidos se comportan como newtoniano cuando la tensión o fuerza aplicada es pequeña, sin embargo, cuando se le aplica una tensión intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud

El científico británico Isaac Newton fue un sabio multidisciplinario quien fue uno de los más grandes científicos de todos los tiempos. Nació el 25 de diciembre de 1642 en Woolsthorpe, Lincolnshire, Inglaterra. Hijo póstumo y único de una familia de agricultores. Isaac recibió su título de bachiller en 1665 y el nombramiento a una beca en Trinity Collage en 1667.

Desde 1668 fue profesor. Newton se dedicó al estudio e investigación de los últimos avances en matemáticas y a la filosofía natural. Realizó descubrimientos fundamentales que le fueron de gran utilidad en su carrera científica. Consiguió en el campo de las matemáticas sus mayores logros.

Generalizó los métodos que se habían utilizado para trazar líneas tangentes a curvas y para calcular el área encerrada bajo una curva, descubriendo que los dos procedimientos eran operaciones inversas. Uniéndose en lo que llamó el método de las fluxiones, desarrolló en 1666 lo que se conoce hoy como cálculo, un método nuevo y poderoso que situó a las matemáticas modernas por encima del nivel de la geometría griega.

Estudió óptica, matemáticas, astronomía, gravedad y muchas otras áreas. Investigó cómo fluyen los líquidos, descubrió que muchos líquidos, como el agua, fluye siempre de la misma forma, no importa la presión a la que se sometan. Si golpeas el agua o la haces girar con rapidez, la viscosidad del agua, es decir, lo ligera y pegajosa que sea su consistencia, no cambia.

Algunos de los líquidos más comunes con los que interactuamos cada día, como el agua, la leche o el aceite se comportan de esta manera. Pero hay otros que no, y esos son los que conocemos como fluidos no newtonianos. Su particularidad es que su viscosidad varía dependiendo de la presión que se aplique sobre ellos, aunque puede cambiar de varias formas distintas, algo que se utiliza para clasificarlos.

Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

La Mecánica de los Fluidos se ocupa del estudio de los fluidos newtonianos exclusivamente; mientras que los fluidos no newtonianos son parte de una ciencia más amplia denominada Reología.

Es importante definir la viscosidad; según Raymond Chang la cual expresa que “Una medida de la resistencia de los líquidos a fluir”, es decir la medida de la resistencia a la deformación que presentan los fluidos al aplicarles un esfuerzo, además esta ciencia estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos y comprende el estudio de las sustancias que “fluyen” pero que su comportamiento no está regido por las propiedades que rigen a los fluidos “comunes”.

En el mundo real existen una amplia variedad de fluidos tan comunes como los newtonianos que no siguen la simple relación dada por la ley de Newton, especialmente en las industrias químicas, alimenticias y en la industria del petróleo, y de allí la importancia de su estudio para un adecuado y correcto tratamiento.

Pueden mencionarse, entre otros, los siguientes fluidos no newtonianos:

Pinturas y barnices.

Soluciones de polímeros.

Mermeladas y jaleas.

Mayonesa y manteca.

Dulce de leche y miel.

Salsas y melazas.

Soluciones de agua con arcillas y carbón.

Sangre humana.

Aun cuando el análisis y tratamiento de los fluidos no-newtonianos es menos preciso, el estudio de este tipo de movimientos tiene características muy interesantes y excitantes, y quizá un espectro de aplicación práctico mucho más amplio.

Debido a que la deformación implica que la velocidad relativa de las capas de fluido no es la misma, por lo tanto, la relación de Newton también puede expresarse diciendo que el esfuerzo de corte y el cambio de la velocidad en el fluido son proporcionales.

Estos fluidos mantienen su viscosidad durante el tiempo sin importar su entorno, sin embargo, el único cambio en su viscosidad, se obtiene al agregar calor o frío a la sustancia, así haciendo que varíe su viscosidad, disminuyendo o aumentándole. Por otra parte, los fluidos no Newtonianos, son muy prácticos. Un fluido no Newtoniano es aquel cuya viscosidad o resistencia a fluir varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada.

En el mundo real existen una amplia variedad de fluidos tan comunes como los Newtonianos que no siguen la simple relación dada por la ley de Newton, especialmente en las industrias químicas, alimenticias y en la industria del petróleo, y de allí la importancia de su estudio para un adecuado y correcto tratamiento.

Debido a que estos fluidos poseen la capacidad de ser perfectamente flexibles, ser muy curiosos por sus propiedades, son cómodos de usar durante un periodo largo de tiempo, así como tener la capacidad de absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad.

Es precisamente de un punto en específico por el cual decidimos trabajar con este tipo de fluido; el de ser curiosos. A lo que nos referimos es a que lo que nos llamó la atención fue su propiedad para cambiar de densidad, tal como se refiere Newton en la ley de la viscosidad, pues es entretenido e interesante observar cómo se transforma en un material cercano a las características de un sólido al aplicar una fuerza sobre él, y ver cómo es un líquido con gran capacidad de fluidez en un estado de casi en reposo.

Demostrar que un fluido sólido también es líquido con sólo aplicar una fuerza, para que sus partículas puedan reaccionar de esta manera. Por lo tanto, se explicará su comportamiento, características y aplicaciones.

Decidí realizar la investigación de la reacción del fluido no newtoniano debido a que se me hace muy interesante el poder explicar a los demás cómo es que actúan este tipo de fluidos dependiendo de la fuerza que se ejerza sobre este, y como puede ser que estos actúen de una forma sólida y líquida a la vez, el poder explicar cómo es que estos rompen con las leyes de Newton establecidas de la existencia de una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la respuesta de este.

Si los fluidos no newtonianos se pueden comportar como un sólido y líquido a la vez, y si esto sucede entonces donde podemos ocuparlos.

Materiales:

*Maicena o harina fina de maíz

*Agua

*Colorante (del color preferido)

*Un recipiente o bowl

Procedimiento:

1.- Colocar una taza de maicena en el recipiente.

2.- Colocar una pequeña cantidad de agua.

3.- Colocar unas gotitas de colorante.

4.- Mezclar la maicena con agua hasta conseguir una sustancia que permita observar las propiedades.

5.- Mezclar gradualmente para que no se formen bolitas.

6.- Debe tener una densidad suficiente, es decir, que tenga una cierta viscosidad para que sea más aparente el experimento.

7.-Al presionar rápidamente la masa podemos observar que los dedos no se hunden.

8.- Y cuando ponemos los dedos suavemente los dedos sobre la masa, podremos observar que se hunden.

Como resultado observe que al realizar este experimento se puede comprobar que los fluidos no newtonianos tienen la propiedad de ser líquidos y sólidos a la vez dependiendo de la fuerza ejercida sobre la masa que aplicaba esta actuaba de una u otra manera.

Lo que comprueba la parte de la hipótesis planteada ya que al ejercer presión sobre la mezcla de agua y maicena y cuando se toma con suavidad se torna normalmente líquida.

Sabemos que un fluido newtoniano es aquel que presenta una viscosidad constante a diferentes velocidades de deformación, a una temperatura constante, y sucede lo contrario con un fluido no newtoniano. Debido a la capacidad de estos materiales para absorber la energía del impacto, es posible la aplicación en equipos de protección y seguridad como chalecos antibalas.

Se concluye que, en los fluidos no newtonianos, la viscosidad va a depender de la fuerza o tensión que se aplica, esto se comprueba cuando golpeamos la mezcla, pues esta se comporta como una sustancia sólida y concisa, cuando se toca con suavidad esta es líquida.

Al realizar este experimento tan sencillo podemos entender de una manera muy sencilla el comportamiento de un fluido no newtoniano.

Paul E. (2007) “Física, Conceptos y Aplicaciones” México: McGraw-Hill.

Gutiérrez, C. & Pérez, A. (2006) “Ciencias 2 Física” México: Larousse.

Church, J. (2001) “Experimentos Divertidos, El Mundo de Beakman” México: Selector.