FLUIDOS NO NEWTONIANOS IÓN AGUA - MAICENA INTRODUCCIÓNAunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre los esfuerzos cortantes bajo diferentes condiciones de flujo. Un fluido con engrosamiento de cizalladura o tambin llamado fluido dilatante, es un fluido no newtoniano, donde la viscosidad es distinta para cada gradiente de velocidad. Este comportamiento es sólo un tipo de desviación de la !e" de #ewton, " es controlada por factores tales como el tama$o de las part%culas suspendidas, la forma " distribución de stas. Aunque normalmente los l%quidos flu"en alrededor de los objetos que se encuentran en su medio, un fenómeno to ta lmente distinto oc ur re en las suspensiones densas de micrómetros de tama$o, "a que estás adquieren un comport amient o l%qui do cuando son pertu rbadas ligerament e, pero se endurec en cuando son sometidas a altas velocidades de deformación. E&p eriment os reol ógi cos han demostrado como el esp esamiento sur ge baj o cizall amiento, per o no es posibl e e&plicar el comport amiento del fluido con mecanismos convencionales " a la vez e&plicar la capacidad de las suspensiones para generar esfuerzos de corte, estos esfuerzos pueden ser lo suficientemente grandes como para permitir pasar a una persona sobre la suspensión sin hundirse. Un claro ejemplo de fluido dilatante' es la suspensión agua(maicena' el cual desarrollaremos a lo largo del presente informe teórico a travs de un estudio general de esta suspensión' profundizaremos en sus propiedades tanto f%sicas como qu%micas, las diversas teor%as e&istentes acerca de su comportamiento " para finalizar daremos a conocer las aplicaciones industriales en las que se aprovecha este comportamiento. Usted apreciara en la sección del ane&o' un ensa"o detallado de la suspensión agua(maicena con el cuál compl ementar a la información brindada en el siguiente informe. 1 FÍSICA II – GRUPO G
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Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar unmaterial, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico dealgunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos sepueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedadesque tienen que ver con la relación entre los esfuerzos cortantes bajo diferentescondiciones de flujo.
Un fluido con engrosamiento de cizalladura o tambin llamado fluido dilatante, esun fluido no newtoniano, donde la viscosidad es distinta para cada gradiente develocidad. Este comportamiento es sólo un tipo de desviación de la !e" de
#ewton, " es controlada por factores tales como el tama$o de las part%culassuspendidas, la forma " distribución de stas.
Aunque normalmente los l%quidos flu"en alrededor de los objetos que seencuentran en su medio, un fenómeno totalmente distinto ocurre en lassuspensiones densas de micrómetros de tama$o, "a que estás adquieren uncomportamiento l%quido cuando son perturbadas ligeramente, pero se endurecencuando son sometidas a altas velocidades de deformación.
E&perimentos reológicos han demostrado como el espesamiento surge bajocizallamiento, pero no es posible e&plicar el comportamiento del fluido con
mecanismos convencionales " a la vez e&plicar la capacidad de las suspensionespara generar esfuerzos de corte, estos esfuerzos pueden ser lo suficientementegrandes como para permitir pasar a una persona sobre la suspensión sin hundirse.
Un claro ejemplo de fluido dilatante' es la suspensión agua(maicena' el cualdesarrollaremos a lo largo del presente informe teórico a travs de un estudiogeneral de esta suspensión' profundizaremos en sus propiedades tanto f%sicascomo qu%micas, las diversas teor%as e&istentes acerca de su comportamiento "para finalizar daremos a conocer las aplicaciones industriales en las que seaprovecha este comportamiento.
Usted apreciara en la sección del ane&o' un ensa"o detallado de la suspensiónagua(maicena con el cuál complementara la información brindada en el siguienteinforme.
;i se mezclan agua " maicena en proporciones de 9+= a 9+=.> apro&imadamente, se forma
un tipo particular de fluido no newtoniano+ Un fluido dilatante. ?esulta curioso cómo al
aplicarse una fuerza lo suficientemente grande, la suspensión se comporta como sólido
1la viscosidad aumenta2 " cómo al ir disminu"endo dicha fuerza, la mezcla va recuperando
el comportamiento de l%quido 1la viscosidad disminu"e2.
*rincipalmente, se debe de hacer nfasis en que la mezcla de agua " maicena es una
suspensión. !os granos de la maicena no se disuelven en el agua' sólo se mezclan en
ella, permaneciendo intactos " sólidos. ;i se prepara una mezcla " se deja quieta por un
cierto tiempo, se podrá observar que la maicena se deposita en el fondo " que se forma
una capa de agua en la parte superior.
Es necesario especificar qu tipo de mezcla es "a que e&isten art%culos en internet dondedescriben a la mezcla agua(maicena como un coloide " esto es erróneo por el hecho de
que las molculas de maicena tienen un radio apro&imado de > @ = Bm, es decir, son
visibles a nivel macroscópico' mientras que las molculas en un coloide solo son visibles
a nivel microscópico 1radio entre 9nm " 9 Bm2. Además, en un coloide, la fase dispersa es
la que se ha"a en menor proporción' mientras que en la suspensión agua(maicena, la
maicena tiene una ma"or proporción que el agua 1más del CD2. El conocimiento
espec%fico de estas particularidades es de vital importancia puesto que, la diferencia
básica entre el comportamiento newtoniano " el no newtoniano es justamente el tamaño
de las moléculas 1en el caso de los fluidos newtonianos, son peque$as " en el caso de los
fluidos no newtonianos, poseen un ma"or tama$o2. 6tros tipos de factores que pueden
influir tambin 1en el caso de los fluidos dilatantes2 son+ !a forma " la distribución de las
part%culas, la interacción part%cula(part%cula, la viscosidad de la fase continua " la fracción
de volumen de sólidos suspendidos.
El comportamiento dilatante de la suspensión de agua(maicena puede ser visto desde la
f%sica o la qu%mica 1que van de la mano2, por lo que se han ideado algunas teor%as acerca
TEORÍAS SOBRE EL COMPORTAMIENTO DILATANTE TENIENDO A LA
SUSPENSIÓN AGUA-MAICENA COMO FLUIDO REFERENTE
1) "#$"# #% &'T "# *+$T -'/+0
!a dilatancia en una suspensión es dependiente de la relación de fuerzas entre part%culas.
ientras que las fuerzas entre part%culas tales como fuerzas de 3an der Faals dominen,
las part%culas suspendidas permanecen en capas ordenadas. ;in embargo, una vez que
la fuerza cortante domine, las part%culas entran en un estado de floculación " "a no se
mantienen en suspensión, sino que comienzan a comportarse como un sólido. )uando se
elimina la fuerza de corte, las part%culas se separan " una vez más forman una
suspensión estable.
El comportamiento de espesamiento de cizalla tambin es altamente dependiente de lafracción de volumen de part%culas sólidas en suspensión dentro del l%quido. )uanto ma"or
sea la fracción de volumen, el esfuerzo para iniciar el comportamiento dilatante será
menor. !a velocidad de deformación en la que las transiciones de fluido de un flujo
newtoniano pasa a un comportamiento dilatante se conoce como la velocidad de
deformación cr%tica.
a) T!$+0+ "# !"# "#$!"#
)uando el esfuerzo de corte de una solución estabilizada concentrada está sujeto a una
velocidad de cizallamiento relativamente baja, las interacciones part%cula(part%cula
repulsivas mantienen a las part%culas en una estructura de equilibrio ordenada por capas.
;in embargo, a velocidades de deformación elevadas por encima de la velocidad de corte
cr%tico, sucederá que la fuerza cortante empujará a las part%culas entre s% a fin de superar
las interacciones part%cula(part%cula repulsiva, forzando a las part%culas fuera de sus
posiciones de equilibrio. Esto conduce a una estructura desordenada, provocando un
aumento de la viscosidad.
!a velocidad de deformación cr%tica en este caso se define como la velocidad de
deformación en la que la fuerza cortante que empuja a las part%culas entre s% es
equivalente a las interacciones de las part%culas repulsivas.
tensión. *ero este argumento de las fibras enredadas no e&plica por qu los
movimientos rápidos aumentan la viscosidad. H!as fibras no se tendr%an que
enredar cuando la mezcla se está moviendo lentamente o está en reposoI 7e
hecho, los movimientos rápidos pueden provocar la ruptura de las fibras.
6tro problema con este modelo es que la maicena no se separa en molculas,
sino que se presenta en gránulos mucho más grandes 1aunque siguen siendo
peque$os2, esencialmente esfricos. Estos gránulos se disuelven con el calor.
Ahora bien, se es otro fenómeno. ;i viertes una mezcla de maicena " agua en
una salsa durante la cocción, sta se volverá más espesa, sólo si la salsa está
caliente.
2) "#$"# #% &'T "# *+$T F$+0
!a e&plicación generalmente más aceptada respecto del comportamiento de la mezcla de
agua " maicena es que cuando sta permanece en reposo, los gránulos de maicena
están cubiertos por el agua. !a tensión de la superficie del agua impide que sta salga
totalmente por los espacios que e&isten entre los gránulos. El colchón de agua ofrece
buena lubricación " permite que los gránulos se desplacen libremente. *ero si el
movimiento es abrupto, el agua sale de entre los gránulos " la fricción entre ellos aumenta
considerablemente. Jsta es una de las e&plicaciones que se dan en K6oblec/+ Fhat do
;cientists ;a"IK.
)hris ;awdon agrega que los gránulos de la maicena son monodispersos, con lo cual
quiere decir que son todos prácticamente del mismo tama$o. ;e sabe que esto aumenta
la dilatancia, tal vez porque permite que drene más rápido el agua cuando la mezcla secomprime que para el caso de las part%culas polidispersas 1distribución de part%culas de
UNA NUEVA TEÓRIA ACERCA DEL COMPORTAMIENTO DILATANTE
Antes se cre%a que la e&plicación era el incremento de la viscosidad debido a la relación
no lineal entre la tensión cortante " la velocidad de deformación. ;in embargo, un nuevo
estudio por parte de ;cott Faitu/aitis " einrich Laeger, de la Universidad de )hicago,
propone que la clave de la solidificación rápida es la compresión de las part%culas en
suspensión formando un n4cleo sólido.
El crecimiento de este n4cleo 1endurecimiento local2 es debido a la aglomeración de las
part%culas sólidas secas en la solución l%quida' pero deja la ma"or parte de su volumen en
un estado semi(l%quido.
El proceso de solidificación requiere una cantidad finita de tiempo para propagarse a
travs de la suspensión, las fuerzas se propagan sin retardo perceptible a travs de unaahora saturada región sólida lo que hace que pueda resistir el impacto de un esfuerzo
cortante " almacenar energ%a.
*ara verificar " complementar la teor%a e&puesta. 3er Ane&o.
!os materiales dilatantes tienen ciertos usos industriales debido a su comportamiento. *or
ejemplo, algunos sistemas integrales de tracción utilizan una unidad de acoplamiento
viscoso lleno de un fluido dilatante para proporcionar una transferencia de potencia entre
las ruedas delanteras " traseras. En carreteras de superficies de alta tracción, elmovimiento relativo entre las ruedas motrices primarias " secundarias es la misma, por lo
que el esfuerzo corte es bajo " se transfiere poco impulso. )uando las ruedas de tracción
primaria comienzan a deslizarse, aumenta el esfuerzo de corte, haciendo que el fluido se
espese. A medida que el fluido se espesa, el par de torsión transferido a las ruedas
motrices secundarias' aumenta proporcionalmente, hasta que se transfiere la cantidad
má&ima de energ%a posible en el estado con ma"or viscosidad. Este sistema se utiliza
generalmente para los veh%culos de carretera en lugar de los veh%culos todo terreno, "a
que la viscosidad má&ima del fluido dilatante limita la cantidad de torque que puede ser
ANE*O 1: ENSA+O ACERCA DE UNA NUEVA TEORIA SOBRE ELCOMPORTAMIENTO DILATANTE
Aunque normalmente los l%quidos flu"en alrededor de los objetos que se encuentran en su
medio, un fenómeno totalmente distinto ocurre en las suspensiones densas de part%culas
de micrómetros de tama$o "a que estas adquieren un comportamiento l%quido cuando son
perturbados ligeramente " adquieren un comportamiento solido a altas velocidades de
deformación.
Ensa"os reológicos han demostrado como el espesamiento surge bajo cizallamiento, pero
no es posible e&plicar el comportamiento del fluido con mecanismos convencionales " a la
vez e&plicar la capacidad de las suspensiones para generar grandes tensiones normales
a los impactos, estas tensiones pueden ser lo suficientemente grandes como para permitir
pasar a una persona sobre la suspensión sin hundirse.
Antes se cre%a que la e&plicación era el incremento de la viscosidad debido a la relaciónno lineal entre los esfuerzos de corte " la gradiente de velocidad. ;in embargo, un nuevo
estudio por parte de ;cott Faitu/aitis " einrich Laeger, de la Universidad de )hicago,
propone que la clave de la solidificación rápida es la compresión de las part%culas en
suspensión.
;u hipótesis ha sido confirmada con e&perimentos en los que han sumergido una barra
cil%ndrica en contenedores llenos de una mezcla de agua " maicena. Utilizando cámaras
de alta velocidad, imágenes de ra"os S " sensores de fuerzas han logrado desentra$ar la
f%sica de este curioso fenómeno, demostrando que, por debajo del lugar del impacto de la
barra en el fluido, aparece un frente de solidificación de rápido crecimiento que se
e&tiende hasta tocar fondo " formar un columna sólida, el modelo del sistema utilizado se
Imágenes que describen el comportamiento del fluido donde rod es la barra el cual se ve reflejado enla suspensión en la siguiente imagen muestra un área de depresión frente al impacto de esta sobre la
superficie del fluido.
!os datos con respecto a la barra durante el ensa"o se muestran en el imagen 9.= donde
podemos ver la aceleración abarra 1en el grafico arod2, velocidad vbarra 1en el grafico vrod2, " la
posición zbarra 1en el grafico zrod2, en función del tiempo t de ensa"o.
!a aceleración se caracteriza por un pico pronunciado apico 1en el grafico apea/2, que ocurre en
tiempo tpico 1en el grafico tpea/2, donde se ve desaceleraciones tan altas como 9 g 1donde g
es la aceleración debida a la gravedad2. !as presiones en la cara inferior de la varilla llegan a
ser superior a 9 *a. !uego el objeto impactante que en su momento de impacto tiene un
comportamiento casi estacionario, comienza lentamente a hundirse seg4n zbarra.
*ara la evolución completa tambin se tiene la imagen de microscopio electrónico de los
granos de maicena seco imagen 1.!, e&tra%do de la suspensión despus de los e&perimentos.
!os granos son de forma irregular con un diámetro dZ>(=Bm. #o ha" diferencias entre los
granos fotografiados antes " despus de los e&perimentos.
El proceso de solidificación requiere una cantidad finita de tiempo para propagarse a
travs de la suspensión, las fuerzas se propagan sin retardo perceptible a travs de una
ahora saturada región sólida lo que hace que pueda resistir el impacto de la barra "
almacenar energ%a.
El sólido crecimiento del fluido es impulsado por el movimiento de la barra, aqu% la
solidificación es como se ilustra en la siguiente figura. En esta foto, los granos altamente
disipados de diámetro d tienen una separación intersticial inicial [. Al empujar con la barra
esta disposición con la velocidad vbarra crea un frente de solidificación en movimiento 1con
relación a la varilla2, la maicena en seco no es perfectamente inelásticas " sus interacciones
Esto aclara cómo la solidificación se puede desarrollar en una dimensión, pero el sistema
considerado es tridimensional, tambin ha" que considerar que la suspensión es globalmente
incompresible " cambios en la densidad son insignificantes.
*ara ver esto mejor, se miró dentro de la suspensión
ópticamente opaca con la videograf%a de ra"os S " el uso
de la velocimetr%a de imágenes de part%culas 1*Q32\\ para
calcular el campo de desplazamiento resultante del
impacto, El campo de desplazamiento 15ig. a2 muestra
una gran región por debajo de la varilla que se empuja
principalmente hacia abajo' esto es una evidencia visual
del sólido constituido " de la suspensión circundante que
han absorbido el impulso de la barra.
Estos resultados muestran un panorama en el que la semilla de la respuesta es el crecimiento
dinámico del sólido formado debajo del lugar del impacto, a medida que crece este sólido " se
ve obligado a moverse con la varilla.
(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((\\"s una herramienta de medición en dinámica de fluidos capa# de medir sin grandes erroresun campo de velocidades distribuidas en l$quidos% gases flujos multifase.