Un fluido no newtoniano es un fluido que no sigue la ley de viscosidad de Newton , es decir, tiene una viscosidad variable dependiente de la tensión. En particular, la viscosidad de los fluidos no newtonianos puede cambiar cuando se los somete a una fuerza. El kétchup , por ejemplo, se vuelve más líquido cuando se agita y, por 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 , [1] pasta de dientes , suspensiones de almidón , almidón de maíz , pintura , sangre , mantequilla derretida y champú .
Más comúnmente, la viscosidad (la deformación gradual por tensiones de corte 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 del corte 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 resultar inadecuado para describir fluidos no newtonianos. Se estudian mejor a través de otras propiedades reológicas que relacionan los tensores de tensión y de deformación en muchas condiciones de flujo diferentes, como corte oscilatorio o flujo extensional, que se miden utilizando 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 .
La viscosidad de un fluido espesante por cizallamiento, es decir, 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 revuelve lentamente tiene un aspecto lechoso, cuando se revuelve vigorosamente se siente como un líquido muy viscoso.
Un ejemplo familiar de lo contrario, un fluido diluyente o fluido pseudoplástico, es la pintura para paredes : la pintura debe fluir fácilmente del pincel cuando se aplica a una superficie, pero no gotear excesivamente. Tenga en cuenta que todos los fluidos tixotrópicos son extremadamente diluyentes, pero dependen significativamente del tiempo, mientras que los fluidos coloidales "diluidos 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 líquido adelgazante es la sangre. Esta aplicación es muy favorecida dentro del cuerpo, ya que permite que la viscosidad de la sangre disminuya al aumentar la velocidad de deformación por cizallamiento.
Los fluidos que tienen una relación lineal de esfuerzo cortante/deformación cortante pero requieren un límite elástico finito antes de comenzar a fluir (la gráfica del esfuerzo cortante contra 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 tener picos cuando está quieta. Por el contrario , los fluidos newtonianos tienen superficies planas y sin rasgos distintivos cuando están quietos.
También hay fluidos cuya velocidad de deformación es 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 a esto es un fluido que se adelgaza con el tiempo y requiere una tensión decreciente para mantener una tasa de deformación constante ( tixotrópico ).
Muchas sustancias comunes presentan flujos no newtonianos. Estos incluyen: [6]
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Un ejemplo económico y no tóxico de un fluido no newtoniano es una suspensión de almidón (p. ej., maicena/harina de maíz) en agua, a veces llamada "oobleck", "ooze" o "lodo mágico" (1 parte de agua por 1,5 –2 partes de fécula 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 utiliza a menudo en demostraciones que muestran su comportamiento inusual. Una persona puede caminar sobre una gran tina de oobleck sin hundirse debido a sus propiedades espesantes , siempre que el individuo se mueva lo suficientemente rápido como para proporcionar suficiente fuerza en cada paso para causar el espesamiento. Además, si se coloca oobleck 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 el oobleck, se espesaría y actuaría como un sólido. Después del golpe, el oobleck volverá a su estado líquido y fino.
Flubber, también conocido comúnmente como limo, es un fluido no newtoniano que se elabora 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]
Otro ejemplo de flujo de fluido no newtoniano es la cobertura de helado de caramelo frío (siempre que incorpore hidrocoloides como carragenano y goma gellan ). La aplicación repentina de fuerza (al pinchar la superficie con un dedo, por ejemplo, o invertir rápidamente el recipiente que lo contiene) hace que el fluido se comporte como un sólido en lugar de 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, intentar sacar la cuchara nuevamente provocará el regreso del estado sólido temporal. [12]
Silly Putty es una suspensión a base de polímero de silicona que fluirá, rebotará o se romperá, según la tasa de deformación.
La resina vegetal es un polímero sólido viscoelástico . Cuando se deja en un recipiente, fluirá lentamente como líquido para amoldarse a los contornos de su recipiente. Sin embargo, si se golpea con mayor fuerza, se romperá como un sólido.
Quicksand es un coloide no newtoniano que se adelgaza y 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 de gel y sol y aparentemente licuándose, provocando que se formen objetos en la superficie de las arenas movedizas. hundir.
El ketchup es un fluido diluyente . [3] [13] El adelgazamiento por corte significa que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el esfuerzo cortante . En otras palabras, el movimiento de un fluido 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 a través del adelgazamiento por cizallamiento, lo que facilita su vertido de la botella.
En determinadas circunstancias, los flujos de materiales granulares se pueden modelar como un continuo, por ejemplo utilizando la reología μ ( I ) . Estos 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.
