Un fluido no newtoniano es un fluido que no sigue la ley de viscosidad de Newton , es decir, tiene una viscosidad variable que depende de la tensión. En particular, la viscosidad de los fluidos no newtonianos puede cambiar cuando se somete a una fuerza. El kétchup , por ejemplo, se vuelve más líquido 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 las natillas , [1] la pasta de dientes , las suspensiones de almidón , el almidón de maíz , la pintura , la sangre , la mantequilla derretida y el champú .
Lo más común es que la viscosidad (la deformación gradual por esfuerzos cortantes o de tracción ) de los fluidos no newtonianos dependa de la velocidad de corte o del historial de la velocidad de corte. Sin embargo, algunos fluidos no newtonianos con viscosidad independiente del esfuerzo cortante aún exhiben diferencias de esfuerzo 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 utiliza comúnmente en mecánica de fluidos para caracterizar las propiedades de cizallamiento 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 el cizallamiento oscilatorio o el 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 de medios continuos .
Para la viscosidad de los fluidos no newtonianos , existen flujos pseudoplásticos , plásticos y dilatantes que son independientes del tiempo, y hay flujos tixotrópicos y reopécticos que son dependientes del tiempo.
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 parece lechoso, cuando se revuelve enérgicamente se siente como un líquido muy viscoso.
Un ejemplo conocido de lo contrario, un fluido pseudoplástico o fluido pseudoplástico, es la pintura para paredes : la pintura debe fluir fácilmente del pincel cuando se aplica a una superficie, pero no debe gotear excesivamente. Tenga en cuenta que todos los fluidos tixotrópicos son extremadamente pseudoplásticos, pero dependen significativamente del tiempo, mientras que los fluidos "diluyentes por cizallamiento" coloidales responden instantáneamente a los cambios en la velocidad de cizallamiento. Por lo tanto, para evitar confusiones, la última clasificación se denomina más claramente pseudoplástica.
Otro ejemplo de fluido pseudoplástico es la sangre. Esta aplicación es muy popular en el cuerpo, ya que permite que la viscosidad de la sangre disminuya a medida que aumenta la velocidad de deformación por cizallamiento.
Los fluidos que tienen una relación lineal de esfuerzo cortante/deformación cortante pero que 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 . Algunos 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 de Bingham puede mantener picos cuando está quieto. Por el contrario, los fluidos newtonianos tienen superficies planas sin rasgos distintivos cuando están quietos.
También existen fluidos cuya tasa de deformación es una función del tiempo. Los fluidos que requieren un esfuerzo cortante que aumenta gradualmente para mantener una tasa de deformación constante se denominan reopécticos . Un caso opuesto de esto es un fluido que se vuelve más fluido con el tiempo y requiere un esfuerzo decreciente para mantener una tasa de deformación constante ( tixotrópico ).
Muchas sustancias comunes presentan flujos no newtonianos, entre ellas: [6]
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Un ejemplo económico y no tóxico de un fluido no newtoniano es una suspensión de almidón (por ejemplo, almidón de maíz/harina de maíz) en agua, a veces llamado "oobleck", "lodo" o "barro mágico" (1 parte de agua por 1,5-2 partes de almidón 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 un gran recipiente de oobleck sin hundirse debido a sus propiedades de espesamiento por cizallamiento , siempre que la persona se mueva lo suficientemente rápido como para aplicar suficiente fuerza con cada paso para provocar el espesamiento. Además, si el oobleck se coloca sobre un subwoofer grande que funciona a un volumen suficientemente alto, se espesará y formará ondas estacionarias en respuesta a las ondas de sonido 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 fino.
El flubber, también conocido comúnmente como slime, es un fluido no newtoniano, que se fabrica fácilmente a partir de 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 similares a las de un fluido y a las de un sólido lo convierte en un fluido de Maxwell . Su comportamiento también se puede describir 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 carragenina y goma gellan ). La aplicación repentina de fuerza (por ejemplo, al pinchar la superficie con un dedo o invertir rápidamente el recipiente que lo contiene) hace que el fluido se comporte como un sólido en lugar de un líquido. Esta es la propiedad de " espesamiento por cizallamiento " de este fluido no newtoniano. Un tratamiento más suave, como insertar lentamente una cuchara, lo dejará en su estado líquido. Sin embargo, si intenta sacar la cuchara de nuevo, volverá al estado sólido temporal. [12]
Silly Putty es una suspensión a base de polímero de silicona que fluirá, rebotará o se romperá, dependiendo de la tasa de deformación.
La resina vegetal es un polímero sólido viscoelástico . Cuando se deja en un recipiente, fluirá lentamente como líquido para adaptarse a los contornos del recipiente. Sin embargo, si se golpea con mayor fuerza, se romperá y se convertirá en un sólido.
Las arenas movedizas son coloides no newtonianos que se adelgazan por cizallamiento y que ganan viscosidad en reposo. Las propiedades no newtonianas de las arenas movedizas se pueden observar cuando experimentan un ligero impacto (por ejemplo, cuando alguien camina sobre ellas o las agita con un palo), pasando de su fase de gel a sol y aparentemente licuándose, lo que hace que los objetos que se encuentran en la superficie de las arenas movedizas se hundan.
El ketchup es un fluido pseudoplástico . [3] [13] El pseudoplástico significa que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar la tensión de corte . En otras palabras, el movimiento del 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 pseudoplástico, lo que facilita su vertido desde 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 la tensión de corte y la velocidad de corte.
