La reología ( / r iː ˈ ɒ l ə dʒ i / ; del griego ῥέω (rhéō) 'flujo' y -λoγία (-logia) 'estudio de') es el estudio del flujo de materia , principalmente en un fluido ( líquido) . o gas ), pero también como " sólidos blandos " 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 flujo de materiales, tanto sólidos como líquidos. [1]
El término reología fue acuñado por Eugene C. Bingham , profesor del Lafayette College , en 1920, a partir de una sugerencia de un colega, Markus Reiner . [2] [3] El término se inspiró en el aforismo de Heráclito (a menudo atribuido erróneamente a Simplicio ), panta rhei ( πάντα ῥεῖ , 'todo fluye' [4] [5] ) 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 (por ejemplo, silicatos), así como a muchos alimentos y aditivos, fluidos corporales (por ejemplo, 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 único coeficiente de viscosidad para una temperatura específica. Aunque esta viscosidad cambiará con la temperatura, no cambia con la velocidad de deformación . Sólo un pequeño grupo de fluidos exhibe una viscosidad tan 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 caracterizando el número mínimo de funciones que se necesitan para relacionar las tensiones con la tasa de cambio de deformación o las tasas de deformación. Por ejemplo, se puede reducir la viscosidad del ketchup agitándolo (u otras formas de agitación mecánica, donde el movimiento relativo de diferentes capas en el material en realidad causa la reducción de la viscosidad), pero el agua no. El ketchup es un material que se diluye, como el yogur y la pintura en emulsión ( pintura de látex o pintura acrílica en la terminología estadounidense ), que exhibe tixotropía , donde un aumento en la velocidad relativa del flujo provocará una reducción en la viscosidad, por ejemplo, al agitar. Algunos otros materiales no newtonianos muestran el comportamiento opuesto, reopectidad : la viscosidad aumenta con la deformación relativa, y se denominan materiales dilatantes o espesantes por corte . Desde que Sir Isaac Newton originó el concepto de viscosidad, el estudio de líquidos con viscosidad dependiente de la velocidad de deformación también se denomina a menudo mecánica de fluidos no newtoniana . [1]
La caracterización experimental del comportamiento reológico de un material se conoce como reometría , aunque el término reología se utiliza frecuentemente como sinónimo de reometría, particularmente por los experimentadores. Los aspectos teóricos de la reología son la relación entre el comportamiento de flujo/deformación del material y su estructura interna (p. ej., la orientación y el alargamiento de las moléculas de polímero) y el comportamiento de flujo/deformación de materiales que no pueden describirse mediante la mecánica de fluidos clásica o la elasticidad.
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 combinando adecuadamente la elasticidad y la mecánica de fluidos ( newtoniana ) . También se ocupa de predecir el comportamiento mecánico (en la escala mecánica continua) basándose en la micro o nanoestructura del material, por ejemplo, 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 los someta a un esfuerzo , que se define como la fuerza por área. Hay diferentes tipos de tensión (por ejemplo, cortante, torsional, etc.) y los materiales pueden responder de manera 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. [1] [6] [7] [8]
La reología une los campos aparentemente no relacionados de la plasticidad y la dinámica de fluidos no newtonianos al reconocer que los materiales que sufren estos tipos de deformación son incapaces de soportar una tensión (particularmente una tensión cortante , ya que es más fácil analizar la deformación cortante) en equilibrio estático . En este sentido, un sólido que sufre deformación plástica es un fluido , aunque a este flujo no se le asocia ningún coeficiente de viscosidad. La reología granular se refiere a la descripción mecánica continua de materiales granulares .
Una de las principales tareas de la reología es establecer mediante mediciones las relaciones entre deformaciones (o tasas de deformación) y tensiones, aunque también se requieren una serie de desarrollos teóricos (como asegurar invariantes de marco) antes de utilizar los datos empíricos. Estas técnicas experimentales se conocen como reometría y se ocupan de la determinación de funciones reológicas de materiales bien definidas . Estas relaciones son entonces susceptibles de tratamiento matemático mediante los métodos establecidos de la mecánica del continuo .
La caracterización del flujo o deformación que se origina a partir de un campo de tensión 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 flujos de corte que para flujos extensionales.
En un extremo del espectro tenemos un fluido newtoniano no viscoso o simple y en el otro extremo, un sólido rígido; por tanto, el comportamiento de todos los materiales se sitúa en algún punto intermedio entre estos dos extremos. La diferencia en el comportamiento de los materiales 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 explicar el 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. [3] [10] Los números de Deborah pequeños representan el flujo newtoniano, mientras que el comportamiento no newtoniano (con efectos viscosos y elásticos presentes) ocurre para los números de Deborah de rango intermedio, y los números de Deborah altos indican un sólido elástico/rígido. Dado que el número de Débora 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.
En mecánica de fluidos , el número de Reynolds es una medida de la relación entre fuerzas de inercia ( ) y fuerzas viscosas ( ) y, en consecuencia, cuantifica la importancia relativa de estos dos tipos de efectos para condiciones de flujo dadas. Con números de Reynolds bajos dominan los efectos viscosos y el flujo es laminar , mientras que con números de Reynolds altos predomina la inercia y el flujo puede ser turbulento . Sin embargo, dado que la reología se ocupa de fluidos que no tienen una viscosidad fija , sino que puede variar con el flujo y el tiempo, el cálculo del número de Reynolds puede resultar complicado.
Es uno de los números adimensionales más importantes en dinámica de fluidos y se utiliza, 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 velocidades 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:
dónde:
Los reómetros son instrumentos utilizados para caracterizar las propiedades reológicas de materiales, típicamente fluidos fundidos o en solución. Estos instrumentos imponen un campo de tensión o deformación específica 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.
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 formación de metales. La ciencia de la reología y la caracterización de las propiedades viscoelásticas en la producción y uso de materiales poliméricos ha sido fundamental para la producción de muchos productos para uso tanto en el sector industrial como en el militar. El estudio de las propiedades de flujo de los líquidos es importante para los farmacéuticos que trabajan en la fabricación de varias formas farmacéuticas, como líquidos simples, ungüentos, cremas, pastas, etc. El comportamiento del flujo de 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 entre lotes.
Se pueden dar ejemplos para ilustrar las posibles aplicaciones de estos principios a problemas prácticos en el procesamiento [11] y uso de cauchos , plásticos y fibras . Los polímeros constituyen los materiales básicos de las industrias del caucho y el plástico y son de vital importancia para las industrias textil, petrolera , automovilística , papelera y farmacéutica . Sus propiedades viscoelásticas determinan el rendimiento mecánico de los productos finales de estas industrias, así como el éxito de los métodos de procesamiento en etapas intermedias de producción.
En materiales viscoelásticos , como la mayoría de los polímeros y plásticos, la presencia de un comportamiento similar al de un 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 muy diferente dependiendo del tiempo de aplicación de una fuerza. Tire de él lentamente y mostrará 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 sufre una transición vítrea (a menudo denominada transición caucho-vítreo ). Por ejemplo, el desastre del transbordador espacial Challenger fue causado por juntas tóricas de goma que se utilizaban muy por debajo de su temperatura de transición vítrea en una mañana inusualmente fría de 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. .
Con la viscosidad de un sol ajustada en un rango adecuado, se pueden estirar tanto fibra de vidrio de calidad óptica como 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 desvían la estructura hacia estructuras lineales o ramificadas son las cuestiones más críticas de la ciencia y la tecnología sol-gel .
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 de fluidos). Esta rama disciplinaria también se ocupa de materiales terrestres sólidos que solo exhiben flujo en escalas de tiempo extendidas. Las que presentan 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 10 20 poises. [12] [13]
La fisiología incluye el estudio de muchos fluidos corporales que tienen 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 los glóbulos rojos , los glóbulos blancos y las 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 del flujo de sangre. [14]
La característica principal 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 . [15]
Actualmente existen dos hipótesis principales para explicar las predicciones del flujo sanguíneo y las respuestas de adelgazamiento. Los dos modelos también intentan demostrar el impulso de 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. [16] La base de la hemorreología también puede proporcionar información para el modelado de otros biofluidos. [15] La hipótesis de los puentes o "puentes cruzados" sugiere que las macromoléculas entrecruzan físicamente los glóbulos rojos adyacentes en estructuras rouleaux. Esto ocurre mediante la adsorción de macromoléculas en las superficies de los glóbulos rojos. [15] [16] 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 que se crea mediante la superposición de capas de agotamiento. [15] El efecto de la tendencia a la agregación rouleaux puede explicarse por la concentración de hematocrito y fibrinógeno en la reología de la sangre total. [15] Algunas técnicas que utilizan los investigadores son la captura óptica y los microfluidos para medir la interacción celular in vitro. [dieciséis]
Se ha demostrado que los cambios en la viscosidad están relacionados con enfermedades como la hiperviscosidad, la hipertensión, la anemia falciforme y la diabetes. [15] Mediciones hemorreológicas y tecnologías de pruebas genómicas que actúan como medidas preventivas y herramientas de diagnóstico. [15] [17]
La hemorreología también se ha correlacionado con los efectos del envejecimiento, especialmente con la alteración 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. [18]
Muchos animales aprovechan los fenómenos reológicos, por ejemplo los peces de arena que aprovechan la reología granular de la arena seca para "nadar" en ella o los gasterópodos terrestres que utilizan la baba de caracol para su locomoción adhesiva . Ciertos animales producen fluidos complejos endógenos especializados , como el limo pegajoso producido por los gusanos de terciopelo para inmovilizar a sus presas o el limo submarino de gelificación rápida secretado por los mixinos para disuadir a los depredadores. [19]
La reología de los alimentos es importante en la fabricación y procesamiento de productos alimenticios, como el queso [20] y el helado . [21] Una reología adecuada es importante para el disfrute de muchos alimentos comunes, particularmente en el caso de salsas, [22] aderezos, [23] yogur , [24] o fondue . [25]
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. Aportan cuerpo, aumentan la estabilidad y mejoran la suspensión de los ingredientes añadidos. 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, emulsiones y suspensiones líquidas . Se disuelven en la fase líquida como una mezcla coloidal que forma una estructura interna débilmente cohesiva. Los espesantes alimentarios frecuentemente se basan en polisacáridos ( almidones , gomas vegetales y pectina ) o proteínas . [26] [27]
La trabajabilidad del hormigón y del mortero está relacionada con las propiedades reológicas de la pasta de cemento fresca . Las propiedades mecánicas del concreto endurecido aumentan si se usa menos agua en el diseño de la mezcla de concreto; sin embargo, reducir la relación agua-cemento puede disminuir la facilidad de mezclado y aplicación. Para evitar estos efectos no deseados, normalmente se añaden superplastificantes para disminuir el límite elástico aparente y la viscosidad de la pasta fresca. Su adición mejora enormemente las propiedades del hormigón y del mortero. [28]
La incorporación de varios tipos de cargas en polímeros es un medio común para reducir costos y para impartir ciertas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y magnéticas deseables al material resultante. Las ventajas que ofrecen los sistemas poliméricos rellenos van acompañadas de una mayor complejidad en el comportamiento reológico. [29]
Generalmente, cuando se considera el uso de cargas, se debe llegar a un compromiso entre las propiedades mecánicas mejoradas en estado sólido por un lado y la mayor dificultad en el procesamiento en estado fundido, el problema de lograr una dispersión uniforme de la carga en la matriz polimérica y la la economía del proceso debido al paso adicional de composición por el otro. Las propiedades reológicas de los polímeros con cargas están determinadas no sólo por el tipo y la cantidad de carga, sino también por la forma, el tamaño y la distribución del tamaño de sus partículas. La viscosidad de los sistemas llenos generalmente aumenta al aumentar la fracción de relleno. Esto puede mejorarse parcialmente mediante distribuciones amplias de tamaño de partículas mediante el efecto Farris . Un factor adicional es la transferencia de tensiones en la interfaz relleno-polímero. La adhesión interfacial se puede mejorar sustancialmente mediante un agente de acoplamiento que se adhiera bien tanto al polímero como a las partículas de relleno. Por lo tanto, el tipo y la cantidad de tratamiento superficial del relleno son parámetros adicionales que afectan las propiedades reológicas y materiales de los sistemas poliméricos con relleno.
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. [30]
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 existe una calificación de reólogo como tal. La mayoría de los reólogos tienen una calificación en matemáticas, ciencias físicas (p. ej. , química , física , geología , biología ), ingeniería (p. ej. , mecánica , química , ciencias de los materiales, ingeniería e ingeniería de plásticos o ingeniería civil ), medicina o determinadas 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.
