¿Qué son los fluidos newtonianos y no newtonianos?

¿Alguna vez te has preguntado acerca de los diferentes tipos de fluidos?

Los fluidos son sustancias que pueden fluir y deformarse bajo presión. Se dividen en dos categorías principales: newtonianos y no newtonianos.

Los fluidos newtonianos tienen una viscosidad constante, mientras que los fluidos no newtonianos cambian su viscosidad bajo tensión.

¿Qué es el fluido newtoniano?

Un fluido newtoniano es un tipo de fluido que exhibe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Esta relación permanece constante independientemente de la fuerza aplicada.

Los fluidos newtonianos siguen la ley de viscosidad de Newton, que establece que el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la tasa de deformación cortante. Este comportamiento se caracteriza por un coeficiente de viscosidad constante.

Características clave del fluido newtoniano

Viscosidad constante

La viscosidad de un fluido newtoniano permanece constante bajo diferentes velocidades de corte. Esta propiedad distingue a los fluidos newtonianos de sus homólogos no newtonianos.

Independientemente de la fuerza aplicada, la resistencia del fluido al flujo permanece sin cambios. Esta característica hace que los fluidos newtonianos sean predecibles y más fáciles de modelar matemáticamente.

Relación lineal

Los fluidos newtonianos exhiben una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Esta relación está representada por una línea recta en un gráfico que representa el esfuerzo cortante frente a la velocidad de corte.

La pendiente de esta línea representa la viscosidad del fluido. Para los fluidos newtonianos, esta pendiente permanece constante en una amplia gama de velocidades de corte.

Ejemplos de fluido newtoniano

• Agua: El agua es el ejemplo más común de fluido newtoniano. Su viscosidad permanece constante en condiciones normales, lo que lo hace ideal para diversas aplicaciones en mecánica de fluidos.
• Aire: El aire, como la mayoría de los gases, se comporta como un fluido newtoniano en condiciones normales. Su viscosidad es independiente de la velocidad de corte, lo que permite características de flujo consistentes en procesos atmosféricos y aplicaciones aerodinámicas.
• Miel: A pesar de su alta viscosidad, la miel presenta un comportamiento newtoniano. Sus propiedades de flujo permanecen consistentes independientemente de la fuerza aplicada, lo que lo convierte en un ejemplo único de fluido newtoniano viscoso.

¿Qué son los fluidos no newtonianos?

Los fluidos no newtonianos son fluidos complejos que no siguen la ley de viscosidad de Newton. Su viscosidad cambia con la velocidad de corte o la tensión aplicada.

A diferencia de los fluidos newtonianos, que mantienen una viscosidad constante, los fluidos no newtonianos exhiben una viscosidad variable en diferentes condiciones de flujo. Este comportamiento resulta de sus complejas estructuras moleculares o partículas en suspensión.

Tipos de fluidos no newtonianos

Fluidos independientes del tiempo

Estos fluidos muestran cambios inmediatos en la viscosidad con la velocidad de corte, independientemente de la duración de la aplicación del corte.

• Fluidos adelgazantes (pseudoplásticos): Los fluidos adelgazantes experimentan una disminución en la viscosidad a medida que aumenta la velocidad de corte. Los ejemplos comunes incluyen salsa de tomate, pintura y sangre.
• Líquidos espesantes (dilatantes) por cizallamiento: Los fluidos espesantes por corte exhiben un aumento en la viscosidad al aumentar la velocidad de corte. Las mezclas de almidón de maíz y agua y algunas soluciones poliméricas muestran este comportamiento.
• Fluidos de estrés de rendimiento: Estos fluidos requieren un esfuerzo mínimo (límite elástico) para iniciar el flujo. La pasta de dientes y las lechadas de cemento son ejemplos de fluidos con límite elástico.

Fluidos dependientes del tiempo

La viscosidad de estos fluidos cambia tanto con la velocidad de corte como con la duración de la aplicación del corte.

• Fluidos tixotrópicos:
  Los fluidos tixotrópicos muestran una disminución de la viscosidad con el tiempo cuando se someten a un corte constante. Muchos geles y suspensiones presentan un comportamiento tixotrópico.
• Fluidos reopécticos: Los fluidos reopécticos experimentan un aumento de viscosidad con el tiempo bajo cizallamiento constante. Este comportamiento es menos común pero se puede observar en algunos lubricantes.

Fluidos Viscoelásticos

Los fluidos viscoelásticos exhiben propiedades tanto viscosas como elásticas. Muestran una recuperación elástica parcial al eliminar la tensión.

Las soluciones poliméricas y algunos fluidos biológicos como el líquido sinovial muestran un comportamiento viscoelástico.

Ejemplos de fluidos no newtonianos

• Fluidos biológicos: La sangre es un excelente ejemplo de fluido no newtoniano en el cuerpo humano. Su viscosidad disminuye al aumentar la velocidad de corte, lo que facilita el flujo a través de los vasos sanguíneos.
• Polímeros y soluciones de polímeros: Muchas soluciones poliméricas exhiben un comportamiento no newtoniano. Sus complejas estructuras moleculares conducen a viscosidades dependientes del cizallamiento.
• suspensiones: Las suspensiones de partículas suelen mostrar características no newtonianas. La interacción entre las partículas y el medio en suspensión da como resultado comportamientos de flujo complejos.
• Productos alimenticios: Varios alimentos, como la mayonesa, el yogur y la miel, presentan propiedades no newtonianas.
• Fluidos industriales: Los lodos de perforación, los lubricantes y las pinturas son ejemplos de fluidos no newtonianos ampliamente utilizados en aplicaciones industriales.

Diferencias clave entre fluidos newtonianos y no newtonianos

Respuesta de la viscosidad al estrés aplicado

Los fluidos newtonianos mantienen una viscosidad constante independientemente de la tensión aplicada. Los fluidos no newtonianos exhiben una viscosidad variable según la velocidad de corte.

Comportamiento y patrones de flujo

Los fluidos newtonianos demuestran una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Los fluidos no newtonianos muestran un comportamiento no lineal.

Algunos fluidos no newtonianos muestran propiedades de adelgazamiento o espesamiento por corte. Esto afecta sus características de flujo en diferentes condiciones.

Desafíos en el manejo de fluidos no newtonianos

El procesamiento de fluidos no newtonianos requiere equipos y técnicas especializados. Su viscosidad variable complica las predicciones de flujo y la eficiencia de la bomba.

Fundamentos de la mecánica de fluidos

Esfuerzo cortante

El esfuerzo cortante es una fuerza aplicada paralela a la superficie de un material. En mecánica de fluidos, ocurre cuando capas adyacentes de fluido se mueven a diferentes velocidades. Esto crea un efecto de fricción entre las capas.

La magnitud del esfuerzo cortante depende de las propiedades del fluido y del gradiente de velocidad. Desempeña un papel crucial en la determinación del comportamiento de los fluidos, especialmente en fluidos newtonianos no ###.

Tasa de corte

La velocidad de corte mide la rapidez con la que las capas adyacentes de fluido se mueven unas sobre otras. Representa la tasa de cambio de velocidad perpendicular a la dirección de corte.

En el flujo de tuberías, la velocidad de corte varía a lo largo del diámetro de la tubería. Es más alto cerca de las paredes de la tubería y más bajo en el centro. Esta variación afecta las características de flujo del fluido.

Viscosidad

La viscosidad cuantifica la resistencia de un fluido a fluir. Describe la fricción interna de un fluido en movimiento. Los fluidos de mayor viscosidad, como la miel, fluyen más lentamente que los fluidos de menor viscosidad, como el agua.

La viscosidad se puede clasificar como dinámica o cinemática. La viscosidad dinámica relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de corte. La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido.

En conclusión

Los fluidos newtonianos y no newtonianos difieren en su comportamiento bajo tensión. Comprender estas propiedades es crucial en diversas industrias y en la vida cotidiana.

Explore más para descubrir cómo estos fluidos impactan su entorno. Comparta sus nuevos conocimientos con otras personas para despertar la curiosidad sobre la dinámica de fluidos.