Reología

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Relación entre esfuerzo y deformación en un sólido. Para unas condiciones dadas de presión y temperatura, el material responde a la aplicación de un esfuerzo primero con una deformación elástica (reversible, cuyo trabajo se acumula en forma de energía potencial) que es directamente proporcional al esfuerzo; luego con una deformación plástica (irreversible, que se disipa en forma de calor), que crece más deprisa que el esfuerzo; y por último, con una deformación rígida (rotura), que a diferencia de las anteriores, rompe la continuidad original del material.

La reología (palabra introducida por Eugene Bingham en 1929) es la rama de la Física de medios continuos que se dedica al estudio de la deformación y el fluir de la materia.

Concepto[editar]

Una definición más moderna expresa que la reología es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir. La reología es una parte de la mecánica de medios continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales. Dichas ecuaciones son en general de carácter tensorial.

Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de la propiedades reológicas más importantes son:

  • Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte)
  • Coeficientes de esfuerzos normales
  • Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio)
  • Módulo de almacenamiento y módulo de perdidas (comportamiento viscoelástico lineal)
  • Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal

Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos microscópicos para explicar el comportamiento de un material. Por ejemplo en el estudio de polímeros, éstos se pueden representar como cadenas de esferas conectadas mediante enlaces rígidos o elásticos.

Si nos fijamos en el sentido etimológico de la palabra Reología podríamos definirlo como la ciencia del flujo. La reología describe la deformación de un cuerpo bajo la influencia de esfuerzos, pero la reología no está limitada a los polímeros, se puede aplicar a todo tipo de material, sólido, líquido o gas.

Un sólido ideal se deforma elásticamente y la energía requerida para la deformación se recupera totalmente cuando se retira el esfuerzo aplicado. Mientras que, los fluidos ideales se deforman irreversiblemente, fluyen, y la energía requerida para la deformación se disipa en el interior del fluido en forma de calor y no se puede recuperar al retirar el esfuerzo. Pero sólo unos pocos líquidos se comportan como líquidos ideales, la inmensa mayoría de los líquidos muestra un comportamiento reológico que se clasifica en una región intermedia entre los líquidos y los sólidos: son a la vez elásticos y viscosos, por lo que se les denomina viscoelásticos. Por otra parte, los sólidos reales pueden deformarse irreversiblemente bajo la influencia de fuerzas de suficiente magnitud, en definitiva, pueden fluir.

En esta clasificación de los comportamientos reológicos de los materiales con relación a su respuesta a los esfuerzos aplicados se ha de introducir un nuevo parámetro que es la escala de tiempo en la cual se aplica la deformación. Para ello, se define una nueva magnitud que tenga en cuenta el tiempo de observación; se trata del número de Deborah:De=λ/t Donde λ es el tiempo de relajación y t es el tiempo de observación.

En este sentido podemos decir que los sólidos tienen un tiempo de relajación infinito, mientras que en el caso de los líquidos este valor se aproxima a cero, por ejemplo, el tiempo de relajación del agua es de 10-12 s. Por otra parte, si consideramos procesos de deformación característicos asociados a los típicos tiempos de observación, podemos decir que un número de Deborah grande define un comportamiento tipo sólido y un número de Deborah pequeño define un comportamiento tipo líquido.

El siguiente ejemplo puede ayudar a entender lo explicado hasta ahora: Las vidrieras de la catedral de Chartres en Francia han fluido desde que fueron producidas hace 600 años. En la época medieval estas vidrieras tenían un espesor uniforme a lo largo de toda su longitud, pero hoy en día las moléculas de vidrio han fluido por efecto de la gravedad, de manera que el espesor en la parte inferior es más que el doble del espesor en la parte superior. El tiempo de observación tan grande hace que el número de Deborah sea pequeño, por lo que sólidos como el vidrio se pueden clasificar como líquidos.

Como conclusión se puede decir que sustancias como el agua o el vidrio no se pueden clasificar como líquidos o sólidos, sino que como mucho podemos decir que tienen un comportamiento de líquido o sólido bajo unas determinadas condiciones de esfuerzo, deformación o tiempo.