Comprendiendo la Viscosidad Dinámica de los Fluidos
La viscosidad dinámica de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensores cortantes o tensores de tracción. Por ejemplo, la miel tiene una viscosidad dinámica mucho mayor que la del agua. La viscosidad dinámica de la miel es de 70 centipoises y la del agua es de 10 centipoises a temperatura ambiente.1
Propiedades Fundamentales de la Viscosidad
La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos. Surge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, lo que provoca una resistencia a su movimiento según la Teoría Cinética. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo liso, las partículas del fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, se necesitan tensores cortantes para superar la resistencia debida a la fricción entre las capas del líquido y la condición de no deslizamiento en el borde de la superficie, permitiendo que el fluido continúe moviéndose por el tubo de rugosidad mínima.
Un fluido que carece de viscosidad se denomina superfluido. En ciertas condiciones, el fluido presenta una resistencia al flujo muy baja o nula, y el modelo de viscosidad nula es una aproximación que se verifica experimentalmente.
La viscosidad de algunos fluidos se mide experimentalmente con viscosímetros y reómetros. La rama de la física que estudia la deformación de los fluidos debido a esfuerzos externos es la reología.
Viscosidad Dinámica: Definición y Representación
La viscosidad existe tanto en líquidos como en gases (fluidos). Se representa por la letra griega μ. Se define como la relación entre el gradiente negativo de velocidad local, que es la fuerza impulsora para el transporte de cantidad de movimiento, y el flujo neto de cantidad de movimiento, que es la relación entre el esfuerzo cortante y el área de la placa que atraviesan las moléculas. En caso de flujo turbulento, a la viscosidad molecular se suma la Viscosidad de remolino de Boussinesque, lo que significa que el efecto del Flujo Turbulento se añade al del flujo laminar. Esta es una función de la posición.
Analogía con Sólidos
Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial, como una goma de borrar sobre la que se aplica una fuerza paralela a la mesa con la palma de la mano. En este caso, el material sólido opone resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma tanto más cuanto menor sea su rigidez.
Si consideramos que la goma de borrar está formada por delgadas capas superpuestas, la deformación resulta en el desplazamiento relativo de unas capas respecto a las adyacentes, como se ilustra en la figura.
Viscosidad en Líquidos
En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Su baja magnitud confiere al fluido sus características peculiares. Por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la mano, como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores se moverán mucho más lentamente o casi nada en comparación con la superficie, ya que son arrastradas por la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. De manera similar, si agitamos con una cuchara un recipiente grande con agua que contiene pequeños trozos de corcho, observaremos que al agitar en el centro, la periferia también se mueve, y al agitar en la periferia, los trozos de corcho del centro también giran. Nuevamente, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.
Cabe señalar que la viscosidad solo se manifiesta en fluidos en movimiento. Cuando un fluido está en reposo, adopta una forma en la que no actúan fuerzas tangenciales que no pueda resistir. Por ello, al llenar un recipiente con un líquido, su superficie permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir componente tangencial alguna.
Si la viscosidad fuera muy alta, el rozamiento entre capas adyacentes también lo sería, impidiendo el movimiento relativo entre ellas o haciéndolo muy limitado, lo que nos situaría ante un sólido. Por el contrario, si la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido, que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes incluso sin estar llenos (véase Helio-II).
La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases. Sin embargo, en el caso de los gases, su efecto suele ser despreciable, acercándose más a fluidos ideales.
Expresiones Cuantitativas
Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias con comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que presenta una relación lineal entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales. También existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante, así como los plásticos de Bingham.
Fluido Newtoniano
En un fluido newtoniano, la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve a velocidad constante u₀ por la superficie de un fluido viene dada por:
FR = μ A (u₀ / h)
donde:
- FR, es la fuerza cortante (paralela a la velocidad);
- A, es el área de la superficie del sólido en contacto con el fluido;
- μ, es el coeficiente de viscosidad dinámica;
- h, es la altura del nivel de fluido o la distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido.
Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:
τxy = μ (∂u / ∂y)
donde u es la velocidad del fluido.
Unidades de Viscosidad
Véase también: Unidades de viscosidad
Viscosidad Dinámica, μ
Relaciona el esfuerzo o tensión local en un fluido en movimiento con la velocidad de deformación de las partículas fluidas. La viscosidad de un fluido es la resistencia a que las distintas láminas deslicen entre sí.
La viscosidad dinámica, designada como μ, se mide en el Sistema Internacional en pascal-segundo (Pa·s), o N·s·m-2, o kg·m-1·s-1.
En el Sistema Cegesimal se utiliza el poise (P).
- 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = 10-1 [kg·s-1·m-1]
A continuación, se muestran valores de viscosidad dinámica para algunos fluidos:
Gas (a 0 °C): Viscosidad dinámica
μ [Pa·s]Hidrógeno 0,00084 Aire 0,0000174 Xenón 0,000212 Agua (20 °C) 0,001
Viscosidad Cinemática, ν
La viscosidad cinemática, designada como ν, se mide en el Sistema Internacional en metros cuadrados por segundo (m2·s-1).
En el Sistema Cegesimal se utiliza el stokes (St).