Desvendando fluidos não newtonianos: um guia abrangente

Você provavelmente já ouviu falar de fluidos que parecem desafiar as leis da física – líquidos que solidificam repentinamente quando atingidos ou géis que fluem livremente até serem sacudidos. Essas substâncias estranhas, conhecidas como fluidos não newtonianos, se comportam de forma bem diferente dos fluidos familiares que encontramos diariamente. À medida que cientistas e engenheiros descobrem mais sobre esses materiais peculiares, suas aplicações em campos que vão da aeroespacial à medicina continuam a se expandir.

Neste guia abrangente, vamos mergulhar nos fundamentos da mecânica de fluidos não newtoniana. Exploraremos o que os diferencia dos fluidos convencionais, os diferentes tipos de comportamento não newtoniano e exemplos cotidianos que você pode reconhecer.

O que são fluidos não newtonianos

Fluidos não newtonianos são uma classe de fluidos que exibem comportamento único em comparação com seus equivalentes newtonianos. Ao contrário dos fluidos newtonianos, que têm uma relação linear entre tensão de cisalhamento e taxa de cisalhamento, os fluidos não newtonianos desviam dessa linearidade. Isso significa que sua viscosidade, ou resistência ao fluxo, muda dependendo da tensão aplicada ou da duração da tensão.

O termo “não newtoniano” abrange uma ampla gama de comportamentos de fluidos que não seguem a lei de viscosidade de Newton. Esta lei afirma que a tensão de cisalhamento (τ) é diretamente proporcional à taxa de cisalhamento (γ), com a constante de proporcionalidade sendo a viscosidade (μ). Matematicamente, esta relação é expressa como:

τ = μγ

No entanto, fluidos não newtonianos não obedecem a essa relação linear simples. Sua viscosidade pode aumentar (cisalhamento-espessamento) ou diminuir (cisalhamento-afinamento) com o aumento da taxa de cisalhamento, ou podem exibir comportamento dependente do tempo, como tixotropia ou reopexia.

Como funcionam os fluidos não newtonianos

O comportamento único dos fluidos não newtonianos surge de suas microestruturas complexas. Esses fluidos geralmente contêm partículas suspensas, moléculas de cadeia longa ou polímeros emaranhados que interagem entre si e com o fluido circundante de maneiras intrincadas.

Quando um fluido não newtoniano é submetido a tensão de cisalhamento, a microestrutura sofre mudanças que afetam a viscosidade do fluido. Por exemplo:

• Em fluidos com espessamento por cisalhamento, as partículas ou moléculas podem formar aglomerados ou cadeias temporárias que resistem ao fluxo, aumentando a viscosidade.
• Em fluidos de cisalhamento fino, o estresse aplicado pode fazer com que as moléculas se alinhem ou se desemaranhem, reduzindo a viscosidade.
• Fluidos dependentes do tempo podem apresentar uma quebra (tixotropia) ou acúmulo (reopexia) de sua microestrutura ao longo do tempo, levando a mudanças na viscosidade.

O comportamento específico de um fluido não newtoniano depende de fatores como tamanho, forma e concentração das partículas suspensas, bem como das interações entre elas e o fluido circundante.

Fluidos newtonianos vs. não newtonianos

Tipos de comportamento não newtoniano

Fluidos não newtonianos podem ser amplamente classificados em duas categorias com base em sua resposta ao estresse aplicado: fluidos dependentes do estresse e fluidos dependentes do tempo.

Fluidos dependentes do estresse

Fluidos dependentes de estresse exibem uma mudança na viscosidade como uma função do estresse de cisalhamento aplicado. Existem dois tipos principais de fluidos não newtonianos dependentes de estresse:

• Fluidos espessantes de cisalhamento (dilatadores): Esses fluidos sofrem um aumento na viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento. Um exemplo clássico é uma mistura de amido de milho e água, frequentemente chamada de “oobleck”. Quando submetido a estresse repentino, como agitação ou impacto, o fluido se torna mais resistente ao fluxo, quase parecendo sólido. Esse comportamento é atribuído à formação de aglomerados temporários de partículas que impedem o fluxo.
• Fluidos pseudoplásticos de afinamento por cisalhamento: Em contraste com fluidos espessantes por cisalhamento, fluidos afinantes por cisalhamento apresentam uma diminuição na viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento. Muitas substâncias comuns, como ketchup, tinta e xampu, se enquadram nessa categoria. Em repouso, esses fluidos têm uma viscosidade maior, mas conforme o estresse de cisalhamento é aplicado (por exemplo, apertar uma garrafa de ketchup), a viscosidade diminui, permitindo que o fluido flua mais facilmente. Esse comportamento geralmente é devido ao alinhamento ou desemaranhamento de moléculas de cadeia longa sob cisalhamento.

Viscosidade dependente do tempo

Fluidos não newtonianos dependentes do tempo exibem uma mudança na viscosidade ao longo do tempo quando submetidos a uma taxa de cisalhamento constante. Existem dois tipos primários de comportamento não newtoniano dependente do tempo:

• Fluidos Tixotrópicos: Fluidos tixotrópicos sofrem uma diminuição na viscosidade ao longo do tempo quando submetidos a uma taxa de cisalhamento constante. Esse comportamento é reversível, o que significa que o fluido recuperará sua viscosidade original assim que o estresse de cisalhamento for removido. Um exemplo comum de fluido tixotrópico é o iogurte. Quando mexido, o iogurte se torna menos viscoso e flui mais facilmente, mas gradualmente recuperará sua espessura quando não for perturbado. A tixotropia é frequentemente atribuída à quebra de interações microestruturais sob cisalhamento.
• Fluidos Reopéticos: Fluidos reopéticos, também conhecidos como fluidos antitixotrópicos, exibem o comportamento oposto dos fluidos tixotrópicos. Esses fluidos experimentam um aumento na viscosidade ao longo do tempo quando submetidos a uma taxa de cisalhamento constante. O comportamento reopético é menos comum do que a tixotropia e é frequentemente observado em certos tipos de géis e suspensões. Um exemplo de fluido reopético é uma suspensão de gesso em água. Quando cisalhadas, as partículas de gesso formam redes interconectadas, aumentando a viscosidade da suspensão.

Exemplos cotidianos de fluidos não newtonianos

Fluidos não newtonianos são mais comuns em nossas vidas diárias do que se poderia pensar. Aqui estão alguns exemplos cotidianos:

1. Ketchup: O ketchup é um fluido de diluição por cisalhamento. Quando você bate no fundo de uma garrafa de ketchup, você está aplicando um estresse de cisalhamento repentino, que faz com que o ketchup fique mais fino e flua para fora da garrafa mais facilmente.
2. Pasta de dentes: Pasta de dente é outro exemplo de fluido de afinamento por cisalhamento. É espesso e viscoso quando espremido para fora do tubo, mas afina e se espalha facilmente quando escovado sobre os dentes.
3. Sangue: O sangue é um fluido não newtoniano complexo que exibe comportamento de afinamento por cisalhamento. Essa propriedade permite que o sangue flua eficientemente pelos capilares estreitos do corpo.
4. Pintar: Muitas tintas são fluidos de diluição por cisalhamento. Elas são espessas quando aplicadas com pincel ou rolo, mas diluem e nivelam suavemente quando espalhadas sobre uma superfície.
5. Areia movediça: A areia movediça é um fluido espessante por cisalhamento. Quando agitadas, as partículas de areia se prendem, aumentando a viscosidade e dificultando a fuga.
6. Mistura de amido de milho e água: Frequentemente chamada de “oobleck”, essa mistura é um exemplo clássico de um fluido espessante por cisalhamento. Ela se comporta como um líquido quando agitada lentamente, mas se solidifica quando submetida a um impacto repentino.
7. Massa de modelar boba: Silly Putty é um material viscoelástico que exibe propriedades fluidas e sólidas. Ele pode fluir lentamente sob seu próprio peso, mas salta como um sólido quando cai.
8. Maionese: Maionese é um fluido de afinamento por cisalhamento que também exibe comportamento tixotrópico. É espesso e viscoso quando em repouso, mas afina e se espalha facilmente quando mexido ou cisalhado.