Reología

Reología (del griego ῥέω (rhéō) 'fluir', y - λoγία (-logia) 'estudio de') es el estudio del flujo de la materia, principalmente en un estado fluido (líquido o gaseoso), pero también como "suave sólidos" o sólidos en condiciones en las que responden con un flujo plástico en lugar de deformarse elásticamente en respuesta a una fuerza aplicada. La reología es una rama de la física, y es la ciencia que se ocupa de la deformación y el flujo de materiales, tanto sólidos como líquidos.

El término reología fue acuñado por Eugene C. Bingham, profesor de Lafayette College, en 1920, a partir de una sugerencia de un colega, Markus Reiner. El término se inspiró en el aforismo de Heráclito (a menudo atribuido erróneamente a Simplicio), panta rhei (πάντα ῥεῖ, 'todo fluye') y se utilizó por primera vez para describir el flujo de líquidos y la deformación de sólidos. Se aplica a sustancias que tienen una microestructura compleja, como lodos, lodos, suspensiones, polímeros y otros formadores de vidrio (p. ej., silicatos), así como muchos alimentos y aditivos, fluidos corporales (p. ej., sangre) y otros materiales biológicos, y a otros materiales que pertenecen a la clase de materia blanda como los alimentos.

Los fluidos newtonianos se pueden caracterizar por un solo coeficiente de viscosidad para una temperatura específica. Aunque esta viscosidad cambiará con la temperatura, no cambia con la velocidad de deformación. Solo un pequeño grupo de fluidos exhibe tal viscosidad constante. La gran clase de fluidos cuya viscosidad cambia con la velocidad de deformación (la velocidad relativa del flujo) se denominan fluidos no newtonianos.

La reología generalmente explica el comportamiento de los fluidos no newtonianos, al caracterizar el número mínimo de funciones que se necesitan para relacionar las tensiones con la velocidad de cambio de la deformación o las velocidades de deformación. Por ejemplo, la salsa de tomate puede reducir su viscosidad al agitarla (u otras formas de agitación mecánica, donde el movimiento relativo de diferentes capas en el material en realidad provoca la reducción de la viscosidad), pero el agua no. El ketchup es un material que diluye por cizallamiento, como el yogur y la pintura de emulsión (terminología estadounidense, pintura de látex o pintura acrílica), que exhibe tixotropía, donde un aumento en la velocidad relativa del flujo provocará una reducción de la viscosidad, por ejemplo, al agitarlo. Algunos otros materiales no newtonianos muestran el comportamiento opuesto, la reopecidad: la viscosidad aumenta con la deformación relativa, y se denominan materiales dilatantes o espesantes por cizallamiento. Dado que Sir Isaac Newton originó el concepto de viscosidad, el estudio de líquidos con viscosidad dependiente de la velocidad de deformación también suele denominarse mecánica de fluidos no newtoniana.

La caracterización experimental del comportamiento reológico de un material se conoce como reometría, aunque el término reología se utiliza con frecuencia como sinónimo de reometría, especialmente por parte de los experimentadores. Los aspectos teóricos de la reología son la relación del comportamiento de flujo/deformación del material y su estructura interna (por ejemplo, la orientación y elongación de las moléculas de polímero), y el comportamiento de flujo/deformación de los materiales que no pueden ser descritos por la mecánica de fluidos clásica o la elasticidad.

Alcance

En la práctica, la reología se ocupa principalmente de extender la mecánica continua para caracterizar el flujo de materiales que exhiben una combinación de comportamiento elástico, viscoso y plástico al combinar adecuadamente la elasticidad y la mecánica de fluidos (newtoniana). También se ocupa de predecir el comportamiento mecánico (en la escala mecánica continua) en función de la micro o nanoestructura del material, p. el tamaño molecular y la arquitectura de los polímeros en solución o la distribución del tamaño de las partículas en una suspensión sólida. Los materiales con las características de un fluido fluirán cuando se sometan a una tensión, que se define como la fuerza por área. Hay diferentes tipos de tensión (p. ej., cizallamiento, torsión, etc.) y los materiales pueden responder de forma diferente bajo diferentes tensiones. Gran parte de la reología teórica se ocupa de asociar fuerzas y pares externos con tensiones internas, gradientes de deformación internos y velocidades de flujo.

La reología une los campos aparentemente no relacionados de la plasticidad y la dinámica de fluidos no newtoniana al reconocer que los materiales que sufren estos tipos de deformación no pueden soportar una tensión (particularmente una tensión de corte, ya que es más fácil analizar la deformación de corte) en equilibrio estático. En este sentido, un sólido que experimenta una deformación plástica es un fluido, aunque no se asocia ningún coeficiente de viscosidad con este flujo. La reología granular se refiere a la descripción mecánica continua de los materiales granulares.

Una de las principales tareas de la reología es establecer mediante la medición las relaciones entre las deformaciones (o tasas de deformación) y las tensiones, aunque también se requieren una serie de desarrollos teóricos (como asegurar las invariantes del marco) antes de utilizar los datos empíricos. Estas técnicas experimentales se conocen como reometría y se ocupan de la determinación de funciones reológicas del material bien definidas. Tales relaciones son entonces susceptibles de tratamiento matemático por los métodos establecidos de la mecánica continua.

La caracterización del flujo o la deformación que se origina a partir de un campo de esfuerzo cortante simple se denomina reometría de corte (o reología de corte). El estudio de los flujos extensionales se denomina reología extensional. Los flujos de corte son mucho más fáciles de estudiar y, por lo tanto, hay muchos más datos experimentales disponibles para los flujos de corte que para los flujos extensionales.

Viscoelasticidad

• El carácter fluido y sólido son relevantes a largo plazo:
  Consideramos la aplicación de un estrés constante (una llamada Experimento asqueroso):
  • si el material, después de alguna deformación, eventualmente resiste más deformación, se considera un sólido
  • si, por el contrario, el material fluye indefinidamente, se considera un fluido
• Por contraste, elástico y viscoso (o el comportamiento intermedio, viscoelástico) es relevante en corto tiempo (comportamiento transitorio):
  Consideramos nuevamente la aplicación de un estrés constante:
  • si la cepa de deformación material aumenta linealmente con el aumento del estrés aplicado, entonces el material es elástico lineal dentro del rango que muestra las cepas recuperables. Elasticidad es esencialmente un proceso independiente de tiempo, ya que las cepas aparecen en el momento en que se aplica el estrés, sin demoras.
  • si la tasa de deformación material aumenta linealmente con el aumento del estrés aplicado, entonces el material es viscoso en el sentido Newtoniano. Estos materiales se caracterizan por la demora de tiempo entre el estrés constante aplicado y la tensión máxima.
  • si los materiales se comportan como una combinación de componentes viscosos y elásticos, entonces el material es viscoelástico. Teóricamente tales materiales pueden mostrar tanto la deformación instantánea como el material elástico y una deformación dependiente de tiempo retardado como en fluidos.
• La plasticidad es el comportamiento observado después de que el material es sometido a un rendimiento:
  Un material que se comporta como sólido bajo tensiones aplicadas puede comenzar a fluir por encima de cierto nivel de estrés, llamado el rendimiento del material. El término plástico sólido a menudo se utiliza cuando este umbral de plasticidad es bastante alto, mientras rendimiento líquido de estrés se utiliza cuando el estrés del umbral es bastante bajo. Sin embargo, no hay diferencia fundamental entre los dos conceptos.

Números adimensionales

Número de Débora

En un extremo del espectro tenemos un fluido newtoniano simple o no viscoso y en el otro extremo, un sólido rígido; por lo tanto, el comportamiento de todos los materiales se encuentra en algún lugar entre estos dos extremos. La diferencia en el comportamiento del material se caracteriza por el nivel y la naturaleza de la elasticidad presente en el material cuando se deforma, lo que lleva el comportamiento del material al régimen no newtoniano. El número de Deborah adimensional está diseñado para dar cuenta del grado de comportamiento no newtoniano en un flujo. El número de Deborah se define como la relación entre el tiempo característico de relajación (que depende puramente del material y otras condiciones como la temperatura) y el tiempo característico de experimento u observación. Los números de Deborah pequeños representan el flujo newtoniano, mientras que el comportamiento no newtoniano (con efectos viscosos y elásticos presentes) ocurre para números de Deborah de rango intermedio, y los números de Deborah altos indican un sólido elástico/rígido. Dado que el número de Deborah es una cantidad relativa, el numerador o el denominador pueden alterar el número. Se puede obtener un número de Deborah muy pequeño para un fluido con un tiempo de relajación extremadamente pequeño o un tiempo experimental muy grande, por ejemplo.

Número de Reynolds

En la mecánica de fluidos, el número Reynolds es una medida de la relación de fuerzas inerciales (vs*** *** {displaystyle v_{s}rho }a fuerzas viscosasμ μ L{displaystyle {frac {fnMicroc} } {L}}) y por consiguiente cuantifica la importancia relativa de estos dos tipos de efecto para las condiciones de flujo dadas. Bajo el bajo Reynolds predominan los efectos viscosos y el flujo es laminar, mientras que en el alto Reynolds predomina la inercia y el flujo puede ser turbulento. Sin embargo, dado que la reología se refiere a fluidos que no tienen viscosidad fija, pero que pueden variar con flujo y tiempo, el cálculo del número de Reynolds puede ser complicado.

Es uno de los números adimensionales más importantes en dinámica de fluidos y se usa, generalmente junto con otros números adimensionales, para proporcionar un criterio para determinar la similitud dinámica. Cuando dos patrones de flujo geométricamente similares, en fluidos quizás diferentes con tasas de flujo posiblemente diferentes, tienen los mismos valores para los números adimensionales relevantes, se dice que son dinámicamente similares.

Normalmente se da de la siguiente manera:

Re=*** *** us2Lμ μ usL2=*** *** usLμ μ =usL.. {displaystyle mathrm {Re} ={frac {rho {frac} {fnK} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fnK}}}} {fn}}} {fn}}} {fn}}}} {fnK}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}} { {fnMicroc {fnK}} {fnMicroc}}} {fnMicroc}}}} {f}}} {f}}} {fn}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} { {fnh00}L}{m} {fnh00} }={frac {cHFF}L}{nu} }

donde:

• u_s – velocidad de flujo media, [m s⁻¹]
• L – longitud característica, [m]
• μ – (absoluta) viscosidad de fluido dinámico, [N s m⁻²] o [Pa s]
• . – viscosidad del fluido cinemático: v=μ μ *** *** {displaystyle v={frac {fnh} {fnh}}} {fnh}}}, [m² s⁻¹]
• *** – densidad de líquido, [kg m⁻³].

Medición

Los reómetros son instrumentos que se utilizan para caracterizar las propiedades reológicas de los materiales, generalmente fluidos fundidos o en solución. Estos instrumentos imponen un campo de tensión específico o deformación al fluido y monitorean la deformación o tensión resultante. Los instrumentos pueden funcionar en flujo constante o en flujo oscilatorio, tanto en corte como en extensión.

Aplicaciones

La reología tiene aplicaciones en ciencia de materiales, ingeniería, geofísica, fisiología, biología humana y farmacéutica. La ciencia de los materiales se utiliza en la producción de muchas sustancias de importancia industrial, como el cemento, la pintura y el chocolate, que tienen características de flujo complejas. Además, la teoría de la plasticidad ha sido igualmente importante para el diseño de procesos de conformado de metales. La ciencia de la reología y la caracterización de las propiedades viscoelásticas en la producción y el uso de materiales poliméricos ha sido fundamental para la producción de muchos productos para uso en los sectores industrial y militar. El estudio de las propiedades de flujo de los líquidos es importante para los farmacéuticos que trabajan en la fabricación de varias formas de dosificación, como líquidos simples, ungüentos, cremas, pastas, etc. El comportamiento de flujo de los líquidos bajo estrés aplicado es de gran relevancia en el campo de la farmacia. Las propiedades de flujo se utilizan como importantes herramientas de control de calidad para mantener la superioridad del producto y reducir las variaciones de lote a lote.

Ciencia de los materiales

Polímeros

Se pueden dar ejemplos para ilustrar las aplicaciones potenciales de estos principios a problemas prácticos en el procesamiento y uso de cauchos, plásticos y fibras. Los polímeros constituyen los materiales básicos de las industrias del caucho y del plástico y son de vital importancia para las industrias textil, petrolera, automotriz, papelera y farmacéutica. Sus propiedades viscoelásticas determinan el desempeño mecánico de los productos finales de estas industrias, y también el éxito de los métodos de procesamiento en etapas intermedias de producción.

En los materiales viscoelásticos, como la mayoría de los polímeros y plásticos, la presencia de un comportamiento similar al líquido depende de las propiedades y, por lo tanto, varía con la tasa de carga aplicada, es decir, con qué rapidez se aplica una fuerza. El juguete de silicona 'Silly Putty' se comporta de manera bastante diferente dependiendo de la tasa de tiempo de aplicación de una fuerza. Tire de él lentamente y exhibirá un flujo continuo, similar al que se evidencia en un líquido altamente viscoso. Alternativamente, cuando se golpea fuerte y directamente, se rompe como un vidrio de silicato.

Además, el caucho convencional experimenta una transición vítrea (a menudo denominada transición caucho-vidrio). P.ej. El desastre del transbordador espacial Challenger fue causado por juntas tóricas de goma que se usaban muy por debajo de su temperatura de transición vítrea en una mañana inusualmente fría en Florida y, por lo tanto, no podían flexionarse adecuadamente para formar sellos adecuados entre las secciones de los dos propulsores de cohetes de combustible sólido.

Biopolímeros

Estructura lineal de celulosa — el componente más común de toda la vida vegetal orgánica en la Tierra. * Observe la evidencia de unión de hidrógeno que aumenta la viscosidad a cualquier temperatura y presión. Este es un efecto similar al del cruce de polímeros, pero menos pronunciado.

Sol-gel

El proceso de polimerización de tetraethylorthosilicate (TEOS) y agua para formar partículas de sílice hidratadas amorfos (Si-OH) puede ser monitoreado retológicamente por varios métodos diferentes.

Con la viscosidad de un sol ajustada en un rango adecuado, se pueden estirar fibra de vidrio de calidad óptica y fibra cerámica refractaria que se utilizan para sensores de fibra óptica y aislamiento térmico, respectivamente. Los mecanismos de hidrólisis y condensación, y los factores reológicos que sesgan la estructura hacia estructuras lineales o ramificadas son los temas más críticos de la ciencia y tecnología sol-gel.

Geofísica

La disciplina científica de la geofísica incluye el estudio del flujo de lava fundida y el estudio de los flujos de escombros (deslizamientos de lodo fluidos). Esta rama disciplinaria también trata con materiales terrestres sólidos que solo exhiben flujo en escalas de tiempo extendidas. Las que muestran un comportamiento viscoso se conocen como reidas. Por ejemplo, el granito puede fluir plásticamente con un límite elástico insignificante a temperatura ambiente (es decir, un flujo viscoso). Los experimentos de fluencia a largo plazo (~10 años) indican que la viscosidad del granito y el vidrio en condiciones ambientales es del orden de 10²⁰ poises.

Fisiología

La fisiología incluye el estudio de muchos fluidos corporales que tienen una estructura y composición complejas y, por lo tanto, exhiben una amplia gama de características de flujo viscoelástico. En particular, existe un estudio especializado del flujo sanguíneo llamado hemorreología. Este es el estudio de las propiedades de flujo de la sangre y sus elementos (plasma y elementos formados, incluidos glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas). La viscosidad de la sangre está determinada por la viscosidad del plasma, el hematocrito (fracción de volumen de los glóbulos rojos, que constituyen el 99,9 % de los elementos celulares) y el comportamiento mecánico de los glóbulos rojos. Por lo tanto, la mecánica de los glóbulos rojos es el principal determinante de las propiedades de flujo de la sangre.

La principal característica de la hemorreología ha sido el adelgazamiento por cizallamiento en un flujo de cizallamiento constante. Otras características reológicas no newtonianas que la sangre puede demostrar incluyen pseudoplasticidad, viscoelasticidad y tixotropía.

Agregación de glóbulos rojos

Hay dos hipótesis principales actuales para explicar las predicciones del flujo sanguíneo y las respuestas de adelgazamiento por cizallamiento. Los dos modelos también intentan demostrar el impulso para la agregación reversible de glóbulos rojos, aunque el mecanismo aún se está debatiendo. Existe un efecto directo de la agregación de glóbulos rojos sobre la viscosidad y la circulación de la sangre. La base de la hemorreología también puede proporcionar información para el modelado de otros biofluidos. El puente o "cruce de puentes" La hipótesis sugiere que las macromoléculas entrecruzan físicamente los glóbulos rojos adyacentes en estructuras de rouleaux. Esto ocurre a través de la adsorción de macromoléculas en las superficies de los glóbulos rojos. La hipótesis de la capa de agotamiento sugiere el mecanismo opuesto. Las superficies de los glóbulos rojos están unidas por un gradiente de presión osmótica creado por la superposición de las capas de agotamiento. El efecto de la tendencia a la agregación de rouleaux puede explicarse por la concentración de hematocrito y fibrinógeno en la reología de sangre total. Algunas técnicas que utilizan los investigadores son el atrapamiento óptico y la microfluídica para medir la interacción celular in vitro.

Enfermedad y Diagnóstico

Se ha demostrado que los cambios en la viscosidad están relacionados con enfermedades como la hiperviscosidad, la hipertensión, la anemia de células falciformes y la diabetes. Mediciones hemorreológicas y tecnologías de pruebas genómicas que actúan como medidas preventivas y herramientas de diagnóstico.

La hemorreología también se ha relacionado con los efectos del envejecimiento, especialmente con el deterioro de la fluidez de la sangre, y los estudios han demostrado que la actividad física puede mejorar el espesamiento de la reología de la sangre.

Zoología

Muchos animales hacen uso de fenómenos reológicos, por ejemplo, los peces de arena que aprovechan la reología granular de la arena seca para "nadar" en él o tierra gasterópodos que utilizan baba de caracol para la locomoción adhesiva. Ciertos animales producen fluidos complejos endógenos especializados, como la baba pegajosa producida por los gusanos de terciopelo para inmovilizar a sus presas o la baba submarina de gelificación rápida secretada por los mixinos para disuadir a los depredadores.

Reología de alimentos

La reología de los alimentos es importante en la fabricación y el procesamiento de productos alimenticios, como el queso y el helado. Una reología adecuada es importante para la indulgencia de muchos alimentos comunes, particularmente en el caso de salsas, aderezos, yogur o fondue.

Los agentes espesantes, o espesantes, son sustancias que, cuando se añaden a una mezcla acuosa, aumentan su viscosidad sin modificar sustancialmente sus otras propiedades, como el sabor. Brindan cuerpo, aumentan la estabilidad y mejoran la suspensión de los ingredientes agregados. Los agentes espesantes se utilizan a menudo como aditivos alimentarios y en cosméticos y productos de higiene personal. Algunos agentes espesantes son agentes gelificantes, formando un gel. Los agentes son materiales utilizados para espesar y estabilizar soluciones líquidas, emulsiones y suspensiones. Se disuelven en la fase líquida como una mezcla coloidal que forma una estructura interna débilmente cohesiva. Los espesantes de alimentos con frecuencia se basan en polisacáridos (almidones, gomas vegetales y pectina) o proteínas.

Reología del hormigón

La trabajabilidad del hormigón y el mortero está relacionada con las propiedades reológicas de la pasta de cemento fresco. Las propiedades mecánicas del concreto endurecido aumentan si se usa menos agua en el diseño de la mezcla de concreto; sin embargo, la reducción de la relación agua-cemento puede disminuir la facilidad de mezcla y aplicación. Para evitar estos efectos no deseados, se suelen agregar superplastificantes para disminuir el límite elástico aparente y la viscosidad de la pasta fresca. Su adición mejora notablemente las propiedades de los hormigones y morteros.

Reología de polímeros rellenos

La incorporación de varios tipos de rellenos en polímeros es un medio común de reducir costos y de impartir ciertas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y magnéticas deseables al material resultante. Las ventajas que ofrecen los sistemas de polímeros cargados vienen con una mayor complejidad en el comportamiento reológico.

Por lo general, cuando se considera el uso de rellenos, se debe llegar a un compromiso entre las propiedades mecánicas mejoradas en estado sólido por un lado y la mayor dificultad en el procesamiento por fusión, el problema de lograr una dispersión uniforme del relleno en el polímero matriz y la economía del proceso debido al paso adicional de composición en el otro. Las propiedades reológicas de los polímeros cargados están determinadas no solo por el tipo y la cantidad de relleno, sino también por la forma, el tamaño y la distribución del tamaño de sus partículas. La viscosidad de los sistemas rellenos generalmente aumenta con el aumento de la fracción de relleno. Esto se puede mejorar parcialmente a través de amplias distribuciones de tamaño de partículas a través del efecto Farris. Un factor adicional es la transferencia de tensión en la interfase relleno-polímero. La adhesión interfacial se puede mejorar sustancialmente a través de un agente de acoplamiento que se adhiere bien tanto al polímero como a las partículas de relleno. El tipo y la cantidad de tratamiento superficial en el relleno son, por lo tanto, parámetros adicionales que afectan las propiedades reológicas y materiales de los sistemas poliméricos rellenos.

Es importante tener en cuenta el deslizamiento de la pared al realizar la caracterización reológica de materiales con alto contenido de relleno, ya que puede haber una gran diferencia entre la deformación real y la deformación medida.

Reólogo

Un reólogo es un científico o ingeniero interdisciplinario que estudia el flujo de líquidos complejos o la deformación de sólidos blandos. No es una materia de grado primario; no hay calificación de reólogo como tal. La mayoría de los reólogos tienen una calificación en matemáticas, ciencias físicas (por ejemplo, química, física, geología, biología), ingeniería (por ejemplo, mecánica, química, ciencia de los materiales, ingeniería e ingeniería de plásticos o ingeniería civil), medicina o ciertas tecnologías, en particular materiales o alimento. Por lo general, se puede estudiar una pequeña cantidad de reología al obtener un título, pero una persona que trabaja en reología ampliará este conocimiento durante la investigación de posgrado o asistiendo a cursos cortos y uniéndose a una asociación profesional.