Descubriendo los fluidos no newtonianos: una guía completa

Probablemente haya oído hablar de fluidos que parecen desafiar las leyes de la física: líquidos que se solidifican de repente al ser golpeados o geles que fluyen libremente hasta que se los agita. Estas sustancias extrañas, conocidas como fluidos no newtonianos, se comportan de manera muy diferente a los fluidos familiares que encontramos a diario. A medida que los científicos e ingenieros descubren más sobre estos materiales peculiares, sus aplicaciones en campos que van desde la industria aeroespacial hasta la medicina continúan expandiéndose.

En esta guía completa, profundizaremos en los fundamentos de la mecánica de fluidos no newtoniana. Exploraremos lo que los diferencia de los fluidos convencionales, los diferentes tipos de comportamiento no newtoniano y ejemplos cotidianos que quizás reconozcas.

¿Qué son los fluidos no newtonianos?

Los fluidos no newtonianos son una clase de fluidos que exhiben un comportamiento único en comparación con sus contrapartes newtonianas.A diferencia de los fluidos newtonianos, que tienen una relación lineal entre la tensión de corte y la velocidad de corte, los fluidos no newtonianos se desvían de esta linealidad. Esto significa que su viscosidad, o resistencia al flujo, cambia dependiendo de la tensión aplicada o de la duración de la tensión.

El término “no newtoniano” abarca una amplia gama de comportamientos de fluidos que no siguen la ley de viscosidad de Newton. Esta ley establece que la tensión de corte (τ) es directamente proporcional a la velocidad de corte (γ), siendo la constante de proporcionalidad la viscosidad (μ). Matemáticamente, esta relación se expresa como:

τ = μγ

Sin embargo, los fluidos no newtonianos no obedecen a esta simple relación lineal. Su viscosidad puede aumentar (espesamiento por cizallamiento) o disminuir (adelgazamiento por cizallamiento) con el aumento de la velocidad de cizallamiento, o pueden exhibir un comportamiento dependiente del tiempo, como la tixotropía o la reopexia.

Cómo funcionan los fluidos no newtonianos

El comportamiento único de los fluidos no newtonianos surge de sus complejas microestructuras. Estos fluidos a menudo contienen partículas suspendidas, moléculas de cadena larga o polímeros enredados que interactúan entre sí y con el fluido circundante de maneras intrincadas.

Cuando un fluido no newtoniano se somete a un esfuerzo cortante, la microestructura sufre cambios que afectan la viscosidad del fluido. Por ejemplo:

• En fluidos espesantes por cizallamiento, las partículas o moléculas pueden formar grupos o cadenas temporales que resisten el flujo, aumentando la viscosidad.
• En los fluidos pseudoplásticos, la tensión aplicada puede hacer que las moléculas se alineen o se desenreden, reduciendo la viscosidad.
• Los fluidos dependientes del tiempo pueden exhibir una ruptura (tixotropía) o acumulación (reopexia) de su microestructura con el tiempo, lo que lleva a cambios en la viscosidad.

El comportamiento específico de un fluido no newtoniano depende de factores como el tamaño, la forma y la concentración de las partículas suspendidas, así como las interacciones entre ellas y el fluido circundante.

Fluidos newtonianos y no newtonianos

Tipos de comportamiento no newtoniano

Los fluidos no newtonianos pueden clasificarse en dos categorías según su respuesta al estrés aplicado: fluidos dependientes del estrés y fluidos dependientes del tiempo.

Fluidos dependientes del estrés

Los fluidos dependientes de la tensión presentan un cambio en la viscosidad en función de la tensión de corte aplicada. Existen dos tipos principales de fluidos no newtonianos dependientes de la tensión:

• Fluidos espesantes por cizallamiento (dilatadores):Estos fluidos experimentan un aumento de viscosidad a medida que aumenta la velocidad de corte. Un ejemplo clásico es una mezcla de almidón de maíz y agua, a menudo denominada “oobleck”. Cuando se somete a un esfuerzo repentino, como agitación o impacto, el fluido se vuelve más resistente al flujo y casi parece sólido. Este comportamiento se atribuye a la formación de cúmulos temporales de partículas que impiden el flujo.
• Fluidos pseudoplásticos (diluyentes por cizallamiento):A diferencia de los fluidos espesantes por cizallamiento, los fluidos pseudoplásticos presentan una disminución de la viscosidad a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. Muchas sustancias comunes, como el kétchup, la pintura y el champú, entran en esta categoría. En reposo, estos fluidos tienen una viscosidad más alta, pero a medida que se aplica una tensión de cizallamiento (por ejemplo, al apretar una botella de kétchup), la viscosidad disminuye, lo que permite que el fluido fluya con mayor facilidad. Este comportamiento se debe a menudo a la alineación o desenredo de moléculas de cadena larga bajo cizallamiento.

Viscosidad dependiente del tiempo

Los fluidos no newtonianos dependientes del tiempo muestran un cambio en la viscosidad a lo largo del tiempo cuando se los somete a una velocidad de corte constante. Existen dos tipos principales de comportamiento no newtoniano dependiente del tiempo:

• Fluidos tixotrópicos:Los fluidos tixotrópicos experimentan una disminución de la viscosidad con el tiempo cuando se someten a una velocidad de corte constante. Este comportamiento es reversible, lo que significa que el fluido recuperará su viscosidad original una vez que se elimine la tensión de corte. Un ejemplo común de un fluido tixotrópico es el yogur. Cuando se revuelve, el yogur se vuelve menos viscoso y fluye más fácilmente, pero gradualmente recuperará su espesor una vez que se deja sin tocar. La tixotropía a menudo se atribuye a la ruptura de las interacciones microestructurales bajo cizallamiento.
• Fluidos reopécticos:Los fluidos reopécticos, también conocidos como fluidos antitixotrópicos, presentan un comportamiento opuesto al de los fluidos tixotrópicos. Estos fluidos experimentan un aumento de la viscosidad con el tiempo cuando se someten a una velocidad de cizallamiento constante. El comportamiento reopéctico es menos común que la tixotropía y se observa a menudo en ciertos tipos de geles y suspensiones. Un ejemplo de fluido reopéctico es una suspensión de yeso en agua. Cuando se someten a cizallamiento, las partículas de yeso forman redes interconectadas, lo que aumenta la viscosidad de la suspensión.

Ejemplos cotidianos de fluidos no newtonianos

Los fluidos no newtonianos son más comunes en nuestra vida diaria de lo que uno podría pensar. A continuación, se muestran algunos ejemplos cotidianos:

1. Ketchup:El kétchup es un líquido que se vuelve más fluido. Cuando se golpea el fondo de una botella de kétchup, se aplica una tensión cortante repentina, que hace que el kétchup se vuelva más fluido y fluya más fácilmente fuera de la botella.
2. Pasta dentífrica:La pasta de dientes es otro ejemplo de un líquido pseudoplástico. Es espesa y viscosa cuando se la exprime del tubo, pero se vuelve más líquida y se extiende fácilmente cuando se la cepilla sobre los dientes.
3. Sangre:La sangre es un fluido complejo no newtoniano que presenta un comportamiento pseudoplástico. Esta propiedad permite que la sangre fluya de manera eficiente a través de los estrechos capilares del cuerpo.
4. Pintar:Muchas pinturas son fluidos que se diluyen al tacto. Son espesos cuando se aplican con brocha o rodillo, pero se diluyen y se nivelan suavemente cuando se extienden sobre una superficie.
5. Arena movediza:Las arenas movedizas son fluidos que se espesan por cizallamiento. Cuando se agitan, las partículas de arena se unen, lo que aumenta la viscosidad y dificulta su escape.
6. Mezcla de maicena y agua:Esta mezcla, a la que a menudo se denomina “oobleck”, es un ejemplo clásico de un fluido que se espesa por cizallamiento. Se comporta como un líquido cuando se agita lentamente, pero se solidifica cuando se somete a un impacto repentino.
7. Masilla tonta:La masilla Silly Putty es un material viscoelástico que presenta propiedades tanto sólidas como fluidas. Puede fluir lentamente por su propio peso, pero rebota como un sólido cuando se deja caer.
8. Mayonesa:La mayonesa es un líquido pseudoplástico que también presenta un comportamiento tixotrópico. Es espeso y viscoso cuando está en reposo, pero se vuelve más fluido y se extiende fácilmente cuando se revuelve o se corta.