Viscosidad

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a: navegación, búsqueda
Ciertos fluidos como, por ejemplo, la miel muestran una viscosidad (espesor) mayor que el agua. Con ello el lenguaje común expresa la resistencia a fluir que tienen ciertos líquidos.

La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción. La viscosidad se corresponde con el concepto informal de "espesor". Por ejemplo, la miel tiene una viscosidad mucho mayor que el agua.[1]

La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos que emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia su movimiento. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje transversal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante (como una diferencia de presión) para sobrepasar la resistencia de fricción entre las capas del líquido, y que el fluido se siga moviendo por el tubo. Para un mismo perfil radial de velocidades, la tensión requerida es proporcional a la viscosidad del fluido.

Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La viscosidad nula solamente aparece en superfluidos a temperaturas muy bajas. El resto de fluidos conocidos presentan algo de viscosidad. Sin embargo, el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.

La viscosidad de algunos fluidos se mide experimentalmente con viscosímetros y reómetros. La parte de la física que estudia las propiedades viscosas de los fuidos es la reología.

Historia[editar]

La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega \mu.

Se conoce también otra viscosidad, denominada viscosidad cinemática, y se representa por  \nu . Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido:[2]

 \nu = \frac{\mu}{\rho}

Explicación de la viscosidad[editar]

Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez.

Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras.

Cabe señalar que la viscosidad solo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.

Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos (véase Helio-II).

La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Expresiones cuantitativas[editar]

Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

Fluido newtoniano[editar]

Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano.

En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante \scriptstyle u_0 por la superficie de un fluido viene dada por:

F_R = \mu A \frac{u_0}{h}

donde:

F_R\,, fuerza cortante (paralela a la velocidad).
A\,, área de la superficie del sólido en contacto con el fluido.
\mu\,, coeficiente de viscosidad dinámica.
h\,, altura del nivel de fluido o 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:

\tau_{xy} = \mu \frac{\part u}{\part y}

donde \scriptstyle u es la velocidad del fluido.

Unidades[editar]

Viscosidad dinámica μ[editar]

La viscosidad dinámica, designada como μ o η, se mide, en unidades del 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 los valores de viscosidad dinámica para algunos fluidos.

Gas (a 0 °C): Viscosidad dinámica

[μPa·s]

Hidrógeno 8,4
Aire 17,4
Xenón 21,2
Agua (20 °C) 1002

Viscosidad cinemática ν[editar]

La viscosidad cinemática, designada como ν, se mide, en unidades del Sistema Internacional, en metros cuadrados por segundo (m2·s-1).

En el Sistema Cegesimal se utiliza el stokes (St).

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Symon, Keith (1971). Mechanics (Third edición). Addison-Wesley. ISBN 0-201-07392-7. 
  2. «Flujo de Fluidos». Conceptos Generales. Universidad de Sevilla.

Bibliografía[editar]

Enlaces externos[editar]