FLUIDOS VISCOSOS NEWTONIANOS  Y NO  NEWTONIANOS 

CONCEPTOS GENERALES 

En los sólidos, tales como los metales, se ha observado que su deformación es proporcional a las solicitaciones aplicadas; sin embargo, medios como el agua y el aire presentan comportamientos muy diferentes, ya que éstos no son capaces de soportar ni siquiera los esfuerzos de corte, producto de su propio peso. Por ejemplo, al aplicarse una solicitación a corte entre dos placas (figura 7.1), el fluido continuará su deformación a corte mientras la solicitación permanezca. Queda claro, entonces, que cualquier fluido será incapaz de soportar solicitaciones de corte sin deformarse de manera permanente. La velocidad de desplazamiento será proporcional a la solicitación aplicada y al eliminarse la carga, la deformación permanecerá.

En presencia de la gravedad un fluido como el agua, tomará la forma del recipiente que la contiene, resultando imposible que mantenga su forma al retirar las paredes del recipiente. Lo anterior significa que no soporta esfuerzos cortantes generados por su propio peso, siendo entonces que en presencia de estos cortantes el fluido se deformará de manera permanente y continua, limitada esta deformación solo por la tensión superficial existente entre el fluido y la superficie sobre la cual se extiende. Con base en las condiciones de movimiento del fluido, se define a éste como un medio idealizado que durante su movimiento como cuerpo rígido (considerando el propio estado de reposo) es incapaz de soportar cualquier tipo de solicitaciones a corte. Asimismo, se tiene que para algunos casos la densidad del fluido es aproximadamente constante. Esta situación aplica, por ejemplo, para el agua, en la cual en condiciones de carga muy variadas se considera que su densidad no se altera (por lo tanto se describe como incompresible), por otra parte, el aire, como todos los gases, se analiza sobre la premisa de que al variar la presión su densidad también se ve afectada. Sin embargo, la descripción de compresibilidad o invariabilidad de la densidad en un fluido depende de las condiciones del estudio; por ejemplo, el aire a bajo número de Match se le analiza como si se tratara de un fluido incompresible; por lo contrario, cuando se estudia la propagación de ondas elásticas en el agua se describe a ésta como un fluido compresible.

En los fluidos se observa que la resistencia al flujo depende de la velocidad y, por consecuencia, de su velocidad de deformación, esto de manera análoga a lo que sucede en los sólidos con relación a su deformación. Análisis más detallados revelan que existen fluidos en los que la relación de las cargas aplicadas con la velocidad de deformación es lineal; tal como pasa en los sólidos de Hooke con la deformación. Por otra parte, fluidos como la miel o la propia sangre no presentan relaciones lineales. Es entonces que se pueden clasificar a los fluidos como:

• Fluidos newtonianos. Son aquellos en los que la relación esfuerzo de cortevelocidad de deformación es lineal τ = cε. A esta relación de proporcionalidad se le denomina como viscosidad, razón por la cual este tipo de fluidos se describen como linealmente viscosos. 
• Fluidos no newtonianos. En este caso la relación es no lineal, presentándose fenómenos de almacenamiento de energía a la vez de los disipativos característicos de los fluidos, a este tipo de medios se les denomina como fluidos viscosos no lineales ( ; 1)

Desde el punto de vista de la variación de su densidad se describen como:


a) Fluidos compresibles

b) Fluidos incompresibles. Se puede considerar idealmente que la densidad del fluido bajo estudio permanece constante

Como ya ha sido mencionado un fluido es un medio idealizado, el cual en cualquier punto, durante movimiento de cuerpo rígido o en reposo, no es capaz de soportar esfuerzos de corte, por lo que con cualquier base que se analice el sistema, el estado de esfuerzos siempre se presentará como

Esto debido a que el fluido en reposo o en movimiento de cuerpo rígido no presenta ningún esfuerzo de corte; por otro lado, partiendo de la misma lógica se tiene que para un elemento diferencial cualquiera en el seno del fluido al cortar éste con cualquier plano, solamente se presentarán esfuerzos normales, lo que se expresa entonces como:

En otras palabras, en todos los planos que pasan a través del punto no sólo no existen esfuerzos de corte, además todos los esfuerzos normales son iguales, a estos se les denomina como esfuerzos hidrostáticos y representan una componente esférica. Como los esfuerzos en el seno del fluido deben ser compresivos, entonces:

donde el escalar p representa la magnitud de los esfuerzos normales compresivos y por consecuencia se define como presión hidrostática.

FLUIDOS VISCOSOS NEWTONIANOS

Se dice que un fluido es newtoniano si su viscosidad, que es la medida o capacidad de un fluido para resistir el flujo, solo varía como una respuesta a los cambios de temperatura o presión. Un fluido newtoniano tomará la forma que tenga su contenedor. En condiciones de temperatura y presión constantes, la viscosidad de un fluido newtoniano es la constante de proporcionalidad, o la relación entre el esfuerzo cortante que se forma en el fluido para resistir el flujo y la velocidad de corte aplicada al fluido para inducir el mismo; la viscosidad es la misma para todas las velocidades de cizallamiento aplicadas al fluido. El agua, las soluciones de azúcar, la glicerina, los aceites de silicona, los hidrocarburos livianos, el aire y otros gases son todos ejemplos de fluidos newtonianos. La mayoría de los fluidos de perforación son fluidos no newtonianos.

¿Qué es el fluido newtoniano? 

El fluido newtoniano es un fluido que tiene una viscosidad que puede ser considerada como constante en el tiempo con una curva que muestra la relación que existe entre el esfuerzo contra la tasa de deformación sea de forma lineal.

Características del fluido newtoniano 

Las principales características del fluido newtoniano son las siguientes: 

Los fluidos newtonianos no tienen ningún tipo de propiedades elásticas. 

• Son incomprensibles, son isotrópicos e irreales. 
• La viscosidad depende de la temperatura. 
• La viscosidad depende también de las diferentes presiones en las que se encuentre. 
• Cuando se encuentran en una temperatura fija, su viscosidad no cambia y se mantiene de forma constante. 
• Se dice que estos fluidos tienen un comportamiento normal, en los cuales existe muy poca viscosidad y esta no varía con fuerzas que son aplicadas sobre ella. 
• Conforme la temperatura aumenta en un fluido, así disminuye su viscosidad. 
• La viscosidad del líquido es inversamente proporcional al aumento que se da en la temperatura del mismo. 
• El fluido newtoniano fue denominado por Isaac Newton, quien lo describió como un flujo viscoso. 
• Cumplen con la ley de Newton de la viscosidad.

Clasificación de los fluidos newtonianos 

Los fluidos newtonianos pueden ser clasificados dependiendo de la relación que existe entre el esfuerzo cortante aplicado al flujo y a la rapidez de la deformación que resulta de este esfuerzo. Los fluidos en los cuales el esfuerzo es cortante son directamente proporcionales a la rapidez de deformación, y son llamados fluidos newtonianos.

Viscosidad del fluido newtoniano 

El estudio que se hace con respecto a los diferentes tipos de viscosidad de los líquidos se basa en estudiar los diferentes perfiles de velocidad que se generan bajo cierto tipo de condiciones considerando siempre de primero la idea newtoniana, en la cual la viscosidad es una constante que va a depender principalmente de la temperatura y en una menor medida va a depender de la presión.

Temperatura 

En un fluido que ya ha sido considerado como fluido newtoniano, la viscosidad va a depender únicamente de la temperatura y de las diferencias que esta presente. Conforma la temperatura aumenta, así se irá disminuyendo la viscosidad del fluido. Con esto queremos decir que, la viscosidad de los fluidos es inversamente proporcional al aumento que se da en la temperatura.

Ejemplos de fluido newtoniano

Existe un gran número de fluidos que tienen las características necesarias para ser considerados como un fluido newtoniano, además de que se comportan como un fluido newtoniano bajo condiciones normales de presión y de temperatura. Entre ellos podemos mencionar los siguientes: 

Aceite SAE 30, el cual es un aceite de motor y de transición que se utiliza por lo general en los automóviles. 

Todos aquellos alimentos que muestren características de flujo ideal, algunos de ellos de suma importancia fisiológica, tal es el caso del agua, la leche de cualquier tipo de animal que la pueda producir, y las bebidas que se toman como refrescantes. 

Todas aquellas disoluciones que se realizan con azúcares, por lo tanto, todo tipo de bebida carbonatada, las bebidas alcohólicas que no contengan moléculas de cadena larga, los jarabes de maíz y algunos tipos de mieles entran en esta clasificación.

• El hidrógeno. 
• La gasolina. 
• El aire. 
• Los diferentes tipos de aceites que existen. 
• El alcohol de tipo etílico. 
• El mercurio. 
• La glicerina. 
• El benceno. 
• Todos aquellos líquidos compuestos con base de aceites.

FLUIDOS VISCOSOS NO NEWTONIANOS

Muchas personas han escuchado hablar en algún momento de Isaac Newton. Este famoso científico se caracterizó por desarrollar muchas teorías científicas en el área de las matemáticas y la física. Isaac Newton describió cómo se comportan los líquidos o fluidos normales y también realizó una serie de observaciones de los flujos que tienen una viscosidad o un flujo constante. Esto significa que el comportamiento de flujo o viscosidad solo cambia con los cambios de temperatura o presión. Normalmente, los líquidos toman la forma del recipiente donde se vierten son conocidos con el nombre de fluidos newtonianos o líquidos normales. Pero no todos los fluidos que observamos siguen esta regla. Llamamos a estos entonces líquidos extraños o fluidos no newtonianos.

¿Qué es un fluido no newtoniano? 

Un fluido no newtoniano es una sustancia de composición homogénea que sufre deformaciones de forma continua en el tiempo en el que se le aplica una tensión o fuerza, sin importar la magnitud de la misma, es una sustancia que no tiene una forma propia y que adopta la del recipiente que la contiene. 

Los fluidos no newtonianos cambian su viscosidad o comportamiento de flujo cuando se encuentra bajo algún tipo de estrés. Si se aplica una fuerza a esos fluidos, por ejemplo, si los golpeas, los agitas o si saltas sobre ellos, la aplicación repentina de este tipo de fuerza o estrés puede hacer que se vuelvan más gruesos y actúen como un sólido, o en algunos casos resulta en un comportamiento opuesto y pueden volverse más veloces de lo que eran antes. En el momento en que se elimine la tensión que se ha ejercido sobre ellos, los fluidos volverán a su estado anterior.

Características del fluido no newtoniano 

Las principales características de un fluido no newtoniano son las siguientes. 

• Es una sustancia de consistencia homogénea. 
• Tiene resistencia a fluir. 
• Los líquidos tienen la capacidad de variar dependiendo de la tensión que se le aplica.
• No tienen un valor de viscosidad definido o que sea constante. 
• Cuando estos líquidos se encuentran en estado de reposo se comportan como un líquido y cuando se les aplica una fuerza aumentan su viscosidad. 
• La viscosidad de los fluidos no newtonianos depende totalmente del tiempo.

Usos de los fluidos no newtonianos 

Se ha propuesto el uso de los fluidos no newtonianos para rellenar los baches que podemos encontrar en las carreteras y así lograr solucionar el problema de forma parcial. Esto porque estas sustancias tienen la peculiaridad y capacidad de variar su viscosidad dependiendo de las diferentes condiciones a las que se expongan, como la temperatura o el esfuerzo al que se somete. Una de las ventajas de esta idea es que se puede ser de acción rápida para tapar los baches, pues simplemente se debe de vaciar el fluido en el hueco para taparlo. 

El kevlar ha sido la elección principal para crear chalecos antibalas durante las últimas décadas, pero eso puede llegar a su fin, pues se ha demostrado que esta protección tendría más efectos si se realizara con fluidos no newtonianos a prueba de balas. Esto sucede porque los fluidos no newtonianos tienen la asombrosa capacidad de lograr cambiar su viscosidad dependiendo de la tensión superficial que se aplique sobre ellos.

Clasificación de los fluidos no newtonianos 

Fluidos no newtonianos independientes del tiempo: Este tipo de fluido no newtoniano se subdivide a su vez en dos grupos: los que tienen umbral y los que no tienen umbral. Cuando hablamos de umbral nos referimos a la necesidad mínima de valor de esfuerzo cortante que tienen estos fluidos para lograr ponerse en movimiento, por lo tanto, tiene una viscosidad que a cualquier tensión de corte no varía con el tiempo. Los fluidos no newtonianos sin esfuerzo umbral se dividen en varios grupos: los pseudoplásticos que se caracterizan por presentar una viscosidad que disminuye con el aumento de la velocidad de deformación por lo que su esfuerzo cortante también se verá afectada; los dilatantes que son las suspensiones en las cuales la viscosidad aumenta con el incremento de la velocidad que tienen de deformación por el esfuerzo. Los fluidos no newtonianos con esfuerzo umbral pueden ser también de diferentes clases, por ejemplo, los plásticos ideales que se caracterizan principalmente porque permanecen en una forma rígida o sólida hasta que se excede el esfuerzo de deformación. También encontramos los fluidos tixotrópicos y reopécticos.

Viscosidad del fluido no newtoniano 

La viscosidad de los fluidos no newtonianos es el tipo de viscosidad que puede llegar a variar con la temperatura y con la presión, pero no lo hace por medio de la variación de la velocidad.

Temperatura 

En los fluidos no newtonianos, la temperatura es la encargada de hacer variaciones en la viscosidad de los fluidos.

Ejemplos 

• Jabones y pasta de dientes. 
• Alimentos como la mantequilla, queso, mermelada, la salsa de tomate, mayonesa, caramelo masticable y yogur. 
• Sustancias que podemos encontrar en la naturaleza como el magma y la lava. 
• Fluidos biológicos como la sangre, la saliva, la mucosa y el líquido sinovial. 
• Lodo y cemento.