Fluido no newtoniano

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 fluidos no newtonianos, la viscosidad puede cambiar cuando está bajo 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. Muchas soluciones salinas y polímeros fundidos son fluidos no newtonianos, al igual que muchas sustancias que se encuentran comúnmente, como natillas, pasta de dientes, suspensiones de almidón, almidón de maíz, pintura, sangre, mantequilla derretida y champú.

Por lo general, la viscosidad (la deformación gradual por esfuerzos cortantes o de tracción) de los fluidos no newtonianos depende de la velocidad de corte o del historial de la velocidad de corte. Sin embargo, algunos fluidos no newtonianos con viscosidad independiente de la cizalladura aún muestran 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 exhibir una viscosidad dependiente del tiempo. Por lo 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 los tensores de tensión y velocidad de deformación en muchas condiciones de flujo diferentes, como cizalla oscilatoria o flujo extensional, que se miden con diferentes dispositivos o reómetros. Las propiedades se estudian mejor utilizando ecuaciones constitutivas con valores tensoriales, que son comunes en el campo de la mecánica continua.

Tipos de comportamiento no newtoniano

Resumen

Clasificación de líquidos con estrés de esquila como función de la tasa de esquila.

Líquido espesante por cizallamiento

La viscosidad de un fluido espesante por 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 diluyente de corte

La pintura es un líquido no newtoniano. Una superficie plana cubierta con pintura blanca está orientada verticalmente (antes de tomar la imagen la superficie plana era horizontal, colocada sobre una mesa). El fluido comienza a gotear por la superficie pero, debido a su naturaleza no newtoniana, se somete al estrés debido a la aceleración gravitacional. Por lo tanto, en lugar de deslizarse a lo largo de la superficie, forma gotas muy grandes y muy densas con goteo limitado.

Un ejemplo familiar de lo contrario, un fluido diluyente de 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 gotear en exceso. Tenga en cuenta que todos los fluidos tixotrópicos son extremadamente diluibles por cizallamiento, pero dependen significativamente del tiempo, mientras que el "adelgazante por cizallamiento" los fluidos responden instantáneamente a los cambios en la velocidad de corte. Por lo tanto, para evitar confusiones, esta última clasificación se denomina más claramente pseudoplástica.

Otro ejemplo de fluido diluyente por cizallamiento es la sangre. Esta aplicación es muy favorecida dentro del cuerpo, ya que permite que la viscosidad de la sangre disminuya con el aumento de la velocidad de deformación por cizallamiento.

Plástico Bingham

Los fluidos que tienen una relación lineal de esfuerzo cortante/deformación cortante pero que requieren un límite elástico finito antes de que comiencen a fluir (el gráfico de esfuerzo cortante frente a la deformación cortante no pasa por el origen) se denominan plásticos de Bingham. Varios ejemplos son las suspensiones de arcilla, el lodo de perforación, la pasta de dientes, la mayonesa, el chocolate y la mostaza. La superficie de un plástico Bingham puede contener picos cuando está quieto. Por el contrario, los fluidos newtonianos tienen superficies planas y sin rasgos distintivos cuando están quietos.

Reopéctico o antitixotrópico

También hay fluidos cuya velocidad de deformación es una función del tiempo. Los fluidos que requieren un esfuerzo cortante que aumenta gradualmente para mantener una velocidad de deformación constante se denominan reopécticos. Un caso opuesto de esto es un fluido que se diluye con el tiempo y requiere una tensión decreciente para mantener una velocidad de deformación constante (tixotrópico).

Ejemplos

Muchas sustancias comunes exhiben flujos no newtonianos. Éstas incluyen:

• Soluciones de jabón, cosméticos y pasta de dientes
• Comida como mantequilla, queso, mermelada, mayonesa, sopa, taffy y yogur
• Sustancias naturales como magma, lava, encías, miel y extractos como extracto de vainilla
• Fluidos biológicos como sangre, saliva, semen, moco y fluido sinovial
• Slurries tales como la goma de cemento y la pulpa de papel, emulsiones como la mayonesa, y algunos tipos de dispersiones

Obleck

Demostración de un líquido no newtoniano en la Universidad de la Ciudad de México

Oobleck en una subwoofer. Aplicar fuerza a oobleck, por ondas sonoras en este caso, hace que el líquido no newtoniano se espese.

Un ejemplo económico y no tóxico de un fluido no newtoniano es una suspensión de almidón (p. ej., almidón de maíz/harina de maíz) en agua, a veces llamado "oobleck", "ooze", o "barro mágico" (1 parte de agua por 1,5–2 partes de almidón de maíz). El nombre "oobleck" se deriva del libro de Dr. Seuss Bartholomew and the Oobleck.

Debido a sus propiedades dilatantes, el oobleck se usa a menudo en demostraciones que exhiben su comportamiento inusual. Una persona puede caminar sobre una tina grande de oobleck sin hundirse debido a sus propiedades de engrosamiento por cizallamiento, siempre que la persona se mueva lo suficientemente rápido para proporcionar suficiente fuerza con cada paso para causar el engrosamiento. Además, si se coloca oobleck en un altavoz de subgraves 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 al oobleck, se espesaría y actuaría como un sólido. Después del golpe, el oobleck volverá a su estado líquido y delgado.

Flubber (limo)

Corrientes de deslizamiento bajo tensiones bajas pero rupturas bajo mayores tensiones

Flubber, también conocido comúnmente 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 de tipo fluido y sólido lo convierte en un fluido de Maxwell. Su comportamiento también se puede describir como viscoplástico o gelatinoso.

Cobertura 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, al clavar un dedo en la superficie o al invertir rápidamente el recipiente que lo sostiene, hace que el fluido se comporte como un sólido en lugar de un líquido. Este es el "engrosamiento por corte" propiedad de este fluido no newtoniano. Un tratamiento más suave, como insertar lentamente una cuchara, lo dejará en su estado líquido. Sin embargo, tratar de volver a sacar la cuchara de un tirón provocará el regreso del estado sólido temporal.

Masilla tonta

Silly Putty es una suspensión a base de polímero de silicona que fluirá, rebotará o se romperá, según 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 más fuerza, se romperá como un sólido.

Arenas movedizas

Quicksand es un coloide no newtoniano que adelgaza por cizallamiento y gana viscosidad en reposo. Las propiedades no newtonianas de Quicksand se pueden observar cuando experimenta un ligero impacto (por ejemplo, cuando alguien camina sobre ella o la agita con un palo), cambiando entre su fase Gel y Sol y aparentemente licuándose, causando objetos en el superficie de las arenas movedizas para hundirse.

Salsa de tomate

El ketchup es un líquido diluyente por cizallamiento. El adelgazamiento por cizallamiento significa que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el esfuerzo de cizallamiento. En otras palabras, el movimiento de fluidos es inicialmente difícil a velocidades de deformación lentas, pero fluirá más libremente a velocidades altas. Agitar una botella de ketchup invertida puede hacer que pase a una viscosidad más baja, lo que resulta en un chorro repentino del condimento diluido.

Flujos granulares secos

En determinadas circunstancias, los flujos de materiales granulares se pueden modelar como un continuo, por ejemplo, utilizando la reología μ(I). Dichos 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.