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 estado fluido ( líquido o gas ) pero también como " sólidos blandos " o sólidos en condiciones en las que responden con flujo plástico en lugar de deformarse elásticamente en respuesta a una fuerza aplicada.[1] La reología es la rama de la física que se ocupa de la deformación y el 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 y polímeros y otros formadores de vidrio (por ejemplo, silicatos), así como muchos alimentos y aditivos, fluidos corporales (por ejemplo, sangre) y otros materiales biológicos , y 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 . Solo 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 denomina 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 tasa de cambio de la deformación o las tasas de deformación. Por ejemplo, la viscosidad del kétchup se puede reducir al agitarlo (u otras formas de agitación mecánica, donde el movimiento relativo de las diferentes capas del material realmente causa la reducción de la viscosidad), pero el agua no. El kétchup es un material pseudoplástico, como el yogur y la pintura en emulsión (terminología estadounidense pintura de látex o pintura acrílica ), que exhibe tixotropía , donde un aumento en la velocidad relativa del flujo causará una reducción en la viscosidad, por ejemplo, al agitarlo. Algunos otros materiales no newtonianos muestran el comportamiento opuesto, reopectia (viscosidad que aumenta con la deformación relativa), y se denominan materiales espesantes por deformación o dilatantes . Dado que Sir Isaac Newton originó el concepto de viscosidad, el estudio de líquidos con viscosidad dependiente de la tasa 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 con frecuencia como sinónimo de reometría, en particular por los experimentalistas. Los aspectos teóricos de la reología son la relación entre el 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 se pueden describir mediante la mecánica de fluidos clásica o la elasticidad.
En la práctica, la reología se ocupa principalmente de extender la mecánica de medios continuos para caracterizar el flujo de materiales que exhiben una combinación de comportamiento elástico , viscoso y plástico mediante la combinación adecuada de elasticidad y mecánica de fluidos ( newtoniana ) . También se ocupa de predecir el comportamiento mecánico (en la escala mecánica de medios continuos) 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 partícula 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 (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 externas y pares con tensiones internas, gradientes de deformación interna 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 newtoniana al reconocer que los materiales que experimentan estos tipos de deformación son incapaces de soportar una tensión (en particular 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 asocie 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 mediciones las relaciones entre las deformaciones (o tasas de deformación) y las tensiones, aunque también se requieren una serie de desarrollos teóricos (como asegurar la invariancia de la estructura) antes de utilizar los datos empíricos. Estas técnicas experimentales se conocen como reometría y se ocupan de la determinación de funciones reológicas bien definidas del material . Dichas relaciones son susceptibles de tratamiento matemático mediante los métodos establecidos de la mecánica de medios continuos .
La caracterización del flujo o deformación que se origina a partir de un campo de esfuerzo cortante simple se denomina reometría de esfuerzo cortante (o reología de esfuerzo cortante). El estudio de los flujos extensionales se denomina reología extensional . Los flujos de esfuerzo cortante son mucho más fáciles de estudiar y, por lo tanto, hay muchos más datos experimentales disponibles para los flujos de esfuerzo cortante que para los flujos extensionales.
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 punto intermedio 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 del 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 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.
En mecánica de fluidos , el número de Reynolds es una medida de la relación entre las fuerzas inerciales ( ) y las fuerzas viscosas ( ) y, en consecuencia, cuantifica la importancia relativa de estos dos tipos de efectos para determinadas condiciones de flujo. Con números de Reynolds bajos, predominan 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 ser 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 que se utilizan para caracterizar las propiedades reológicas de los materiales, generalmente fluidos fundidos o en solución. Estos instrumentos imponen un campo de tensión o deformación específico al fluido y controlan la deformación o tensión resultante. Los instrumentos pueden funcionar en flujo constante u oscilatorio, tanto en cizallamiento como en extensión.
La reología tiene aplicaciones en la ciencia de los materiales , la ingeniería , la geofísica , la fisiología , la biología humana y la farmacia . La ciencia de los materiales se utiliza en la producción de muchas sustancias importantes a nivel 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 su 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 de dosificación, como líquidos simples, ungüentos, cremas, pastas, etc. El comportamiento del flujo de los líquidos bajo tensión aplicada es de gran relevancia en el campo de la farmacia. Las propiedades de flujo se utilizan como herramientas importantes de control de calidad para mantener la superioridad del producto y reducir las variaciones de lote a lote.
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 del plástico y son de vital importancia para las industrias textil, petrolera , automotriz , papelera y farmacéutica . Sus propiedades viscoelásticas determinan el rendimiento 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 de un líquido depende de las propiedades de estos y, por lo tanto, varía con la velocidad de la carga aplicada, es decir, la rapidez con la que se aplica una fuerza. El juguete de silicona " Silly Putty " se comporta de manera bastante diferente según la velocidad con la que se aplica una fuerza. Si se tira de él lentamente, exhibe un flujo continuo, similar al que se evidencia en un líquido altamente viscoso. Por otra parte, si se golpea con fuerza 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 caucho que se estaban utilizando 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 cohetes propulsores de combustible sólido .
Con la viscosidad de un sol ajustada en un rango adecuado, se pueden fabricar tanto fibras de vidrio de calidad óptica como fibras cerámicas refractarias que se utilizan para sensores de fibra óptica y aislamiento térmico , respectivamente. Los mecanismos de hidrólisis y condensación , y los factores reológicos que inclinan la estructura hacia estructuras lineales o ramificadas son los problemas más críticos 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 fluidos). Esta rama disciplinaria también se ocupa de los materiales sólidos de la Tierra que solo exhiben flujo en escalas de tiempo extendidas. Aquellos que muestran un comportamiento viscoso se conocen como reidas . Por ejemplo, el granito puede fluir plásticamente con una tensión de fluencia 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 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 formes, 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 de flujo de la sangre. (El humor vítreo ocular está sujeto a observaciones reológicas, particularmente durante los estudios de licuefacción vítrea relacionada con la edad, o sinéresis ). [14]
La característica principal de la hemorreología ha sido la disminución de la viscosidad en flujo de cizallamiento constante. Otras características reológicas no newtonianas que la sangre puede demostrar incluyen pseudoplasticidad , viscoelasticidad y tixotropía . [15]
Existen dos hipótesis principales actuales para explicar las predicciones del flujo sanguíneo y las respuestas de la pseudoefedrina . Los dos modelos también intentan demostrar el impulso para la agregación reversible de glóbulos rojos, aunque el mecanismo aún se debate. Existe un efecto directo de la agregación de glóbulos rojos sobre la viscosidad y la circulación sanguínea. [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 reticulan físicamente los glóbulos rojos adyacentes en estructuras de rouleaux. Esto ocurre a través de la adsorción de macromoléculas sobre 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 entre sí por un gradiente de presión osmótica que se crea por la superposición de las capas de agotamiento. [15] El efecto de la tendencia a la agregación de rouleaux se puede explicar por el hematocrito y la concentración de fibrinógeno en la reología de la sangre completa. [15] Algunas técnicas que utilizan los investigadores son el atrapamiento óptico y la microfluídica para medir la interacción celular in vitro. [16]
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. [15] Las mediciones hemoreológicas y las tecnologías de pruebas genómicas 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 sanguínea, y los estudios han demostrado que la actividad física puede mejorar el espesamiento de la reología sanguínea. [18]
Muchos animales hacen uso de fenómenos reológicos, por ejemplo, los peces de arena que explotan la reología granular de la arena seca para "nadar" en ella o los gasterópodos terrestres que utilizan la baba de los caracoles 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 rápida gelificación secretada por los mixinos para disuadir a los depredadores. [19]
La reología de los alimentos es importante en la fabricación y el procesamiento de productos alimenticios, como el queso [20] y el helado . [21] Una reología adecuada es importante para la indulgencia 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. Proporcionan 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 , que forman 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 alimentarios con frecuencia 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 hormigón endurecido aumentan si se utiliza menos agua en el diseño de la mezcla de hormigón, sin embargo, la reducción de la relación agua-cemento puede reducir la facilidad de mezclado y aplicación. Para evitar estos efectos no deseados, normalmente se añaden superplastificantes para reducir la tensión aparente de fluencia y la viscosidad de la pasta fresca. Su adición mejora en gran medida las propiedades del hormigón y del mortero. [28]
La incorporación de diversos tipos de rellenos a los polímeros es un método habitual para reducir los costes y conferir determinadas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y magnéticas deseables al material resultante. Las ventajas que ofrecen los sistemas de polímeros rellenos se acompañan de una mayor complejidad en el comportamiento reológico. [29]
Generalmente, cuando se considera el uso de rellenos, se debe llegar a un compromiso entre las propiedades mecánicas mejoradas en el estado sólido por un lado y la mayor dificultad en el procesamiento de la masa fundida, el problema de lograr una dispersión uniforme del relleno en la matriz polimérica y la economía del proceso debido al paso adicional de la composición por el otro. Las propiedades reológicas de los polímeros rellenos 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 mediante distribuciones amplias del tamaño de partícula mediante el efecto Farris . Un factor adicional es la transferencia de tensión en la interfaz de 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. El tipo y la cantidad de tratamiento de superficie 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 altamente rellenos, 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 primaria; no existe una cualificación de reólogo como tal. La mayoría de los reólogos tienen una cualificación en matemáticas, ciencias físicas (por ejemplo , química , física , geología , biología ), ingeniería (por ejemplo , mecánica , química , ciencia de los materiales, ingeniería de plásticos e ingeniería o ingeniería civil ), medicina o ciertas tecnologías, en particular materiales o alimentos . 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.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of June 2024 (link)