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Análisis de las propiedades reologicas de los fluidos no newtonianosIntroducción:El estudio de los fluidos ocupa un campo muy importante en la física, ya que hay gran variedad de estos en la naturaleza y en compuestos de la cotidianidad. Los fluidos abarcan desde los gases hasta los líquidos más com...

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Análisis de las propiedades reologicas de los fluidos no newtonianos Introducción: El estudio de los fluidos ocupa un campo muy importante en la física, ya que hay gran variedad de estos en la naturaleza y en compuestos de la cotidianidad. Los fluidos abarcan desde los gases hasta los líquidos más complejos como los lodos o los pegamentos. Se entiende por fluido a una sustancia que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una fuerza, los fluidos no newtonianos son aquellos que no cumplen las leyes planteadas por newton y cuya viscosidad no es definida ni constante. Con este trabajo queremos hacer un estudio un poco mas afondo sobre las propiedades de los fluidos no newtonianos y cual es su comportamiento, haciendo un análisis de sus características y propiedades, además de su clasificación, mostrando todo esto por medio de medios experimentales. Planteamiento del problema: Gracias a las leyes de newton se propusieron pautas para el estudio de los fluidos, aquellos que cumplen con estas leyes, se denominan fluidos newtonianos, en estos intervienen factores como la viscosidad que puede considerarse constante en el tiempo. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluidos no newtonianos. Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales. El estudio de los fluidos no newtonianos es un poco mas complejo ya que al no cumplir las leyes de newton su viscosidad varia de acuerdo a factores que pueden ser el tiempo, la temperatura y la tensión que se le imprime. De acuerdo a estos planteamientos se propuso una investigación acerca del por qué del comportamiento en la manipulación de los fluidos no newtonianos y los factores que intervienen en este.

Hipótesis: De acuerdo a los conocimientos previos se sugiere que los fluidos no newtonianos tienen un comportamiento particular ya que el esfuerzo y la velocidad de su deformación no es lineal, como si lo es en los fluidos newtonianos, otras características que pueden determinar el comportamiento de los fluidos no newtonianos pueden ser la viscosidad y sus cambios en función del tiempo. Los fluidos no newtonianos pueden ser dependientes e independientes del tiempo o viscoelásticos, estos a su vez tienen gran cantidad de subdivisiones que hacen de los fluidos no newtonianos un campo de estudio bastante denso.

Antecedentes: Existen gran variedad de postulados, tesis y proyectos destinados al estudio de la reología, la clasificación de los fluidos, sus propiedades, y en especial al estudio de los fluidos no newtonianos, tema de mayor interés en este proyecto, ejemplo de esto es el estudio adelantado por el ingeniero Esteban Luis Ibarrola “introducción a los fluidos no newtonianos”. En donde expone una pequeña introducción acerca del estudio de los fluidos, y después se centra en la clasificación de los fluidos no newtonianos sus características y propiedades, pasando por todo un estudio sobre la viscosidad de estos compuestos y comparando cada una de las subdivisiones de los fluidos no newtonianos con otra, de una manera experimental. Otro ejemplo, es el trabajo adelantado por Juan Sebastián Ramírez “Fundamentos de reología de alimentos”, donde plantea todo un estudio sobre la reología como ciencia, hace mención de su historia y su importancia en la investigación y el procesamiento de los alimentos y después de exponer las características de la viscosidad, definirla, clasificarla y mencionar las variables

que la afectan, muestra un análisis completo de la clasificación de los fluidos, exhibiendo las características de cada uno de ellos.

Objetivo general: establecer y analizar las características de los fluidos no newtonianos determinando las propiedades que los diferencian de los fluidos newtonianos. Objetivos específicos: 

Estudiar la clasificación de los fluidos con el fin de comparar y analizar su comportamiento.



Identificar cada una de las clases de fluidos no newtonianos existentes



Establecer las diferencias entre las propiedades de los fluidos no newtonianos y los newtonianos.

Justificación: La importancia de este proyecto radica en que es necesario un estudio más a fondo de los fluidos no newtonianos y sus propiedades ya que aunque son pocos comunes su estudio es más complejo. Este proyecto llamo la atención ya que su campo de investigación es bastante amplio, es un tema muy interesante y su experimentación es bastante atractiva para un proyecto estudiantil. Se quiso hablar sobre fluidos no newtonianos ya que es un tema poco abordado pero muy influyente en nuestra cotidianidad.

Marco teórico: La Reología: es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos .Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las

de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión,

detergentes o aceites lubricantes.  La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido. Dicho concepto se introdujo anteriormente en la Ley de Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación

Las unidades de viscosidad más utilizadas son los

milipascales por segundo Tipos de viscosidad

Existen tres tipos de viscosidad [2]: la viscosidad dinámica, la viscosidad cinemática y la viscosidad aparente.

La viscosidad dinámica o absoluta, denominada “” se ha visto anteriormente en la ecuación 1.Si se representa la curva de fluidez (esfuerzo cortante frente a velocidad de deformación) se define también como la pendiente en cada punto de dicha curva.

En cambio, la viscosidad aparente se define como el cociente entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. Este término es el que se utiliza al hablar de “viscosidad” para fluidos no newtonianos Por último existe otro término de viscosidad denominado viscosidad cinemática, que relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido utilizado. Las unidades más utilizadas de esta viscosidad son los centistokes Variables que influyen en la viscosidad

La viscosidad puede estar muy afectada por variables como el gradiente de velocidad de deformación, la temperatura y la presión entre otros, siendo éstas las más importantes.

Variación de la viscosidad con la velocidad de deformación

Dicha variación se estudiará más adelante ya que va a ayudar a clasificar los diferentes tipos de fluidos que se pueden encontrar desde el punto de vista reológico. La siguiente tabla muestra el rango de gradientes de velocidad de diversos procesos muy conocidos y sus aplicaciones Variación de la viscosidad con la temperatura: Líquidos La viscosidad disminuye con la temperatura. Existen varias fórmulas que permiten evaluar la variación de la viscosidad de un líquido al cambiar la temperatura. la viscosidad disminuye con la temperatura. Esto es debido al hecho de que, conforme aumenta la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energía cinética, dando lugar a una disminución de la viscosidad. Por este hecho se deben extremar las precauciones a la hora de medir la viscosidad, teniendo en cuenta que la temperatura debe permanecer prácticamente constante. Gases En cuanto a los gases, hay que decir que cuanto mayor es la temperatura, mayor es la agitación y los choques de las moléculas del gas, oponiéndose al movimiento (mayor fricción) y produciendo un aumento de la viscosidad del gas.

Variación de la viscosidad con la presión. La viscosidad (en líquidos) aumenta exponencialmente con la presión. El agua a menos de 30 º C es el único caso en que disminuye. Los cambios de viscosidad con la presión son bastante pequeños para presiones distintas de la atmosférica. Para la mayoría de los casos prácticos, el efecto de la presión se ignora a la hora de hacer mediciones con el viscosímetro. Tipos de fluidos: Existen 2 tipos de fluidos:  Fluidos newtonianos: Son aquellos que además de cumplir con la ley de viscosidad de Newton

 Fluidos no newtonianos: Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes

e

independientes del tiempo.  Fluidos no newtonianos independientes del tiempo de aplicación: Estos fluidos se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no esfuerzo umbral, es decir, si necesitan un mínimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento. 

Este tipo de fluidos se caracterizan por una disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante,

con la velocidad de

deformación. 

Fluidos dilatantes: Los fluidos dilatantes son suspensiones en las que se produce un aumento de la viscosidad con la velocidad de deformación, es decir, un aumento del esfuerzo cortante con dicha velocidad.

 Fluidos no newtonianos dependientes del tiempo de aplicación: Este tipo de fluidos se clasifican en dos tipos: los fluidos t ixotrópicos, en los que su viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación del esfuerzo cortante, recuperando su estado inicial después de un reposo

prolongado, y los fluidos reopécticos, en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación de la fuerza y vuelven a su estado anterior tras un tiempo de reposo. 

Fluidos tixotrópicos: Se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas

cadenas

que forman sus

moléculas. Dichos

fluidos, una vez aplicado un estado de cizallamiento (esfuerzo cortante), sólo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo. La viscosidad va disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al cesar dicha fuerza debido a la reconstrucción de sus estructuras y al retraso que se produce para adaptarse al cambio. 

Fluidos reopécticos: Los fluidos reopécticos, en cambio, se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir, que su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada y presentan una histéresis inversa a estos últimos. Esto es debido a que si se aplica una fuerza se produce una formación de enlaces intermoleculares conllevando un aumento de la viscosidad, mientras que si cesa ésta se produce una destrucción de los enlaces, dando lugar a una disminución de la viscosidad.

 Fluidos viscoelásticos: Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos. Metodología: En este proyecto se puede utilizar varios métodos de experimentación, se utilizaran principalmente pruebas que muestren resultados cualitativos para el estudio de pseudoplasticos y fluidos dilatantes principalmente, estos son:



El efecto Weissemberg: Por medio de un agitador cilíndrico, agitamos un pseudoplastico en un vaso de precipitado, poco a poco este comienza a concentrarse alrededor del agitador y a trepar por el.



El efecto sifón: Se realiza mediante un tubo de succión, es un efecto parecido al que tiene el beber agua con un pitillo, solo que en los fluidos no newtonianos puede ocurrir aunque el tubo de succión no este inmerso en el agua.



El efecto Kaye: Se vierte una mezcla viscosa que repentinamente devuelve un chorro ascendente que se puede confundir con el que cae



Prueba agitante: Con esta se quiere establecer las diferencias que existen en el comportamiento del fluido con diferentes velocidades de agitación



Prueba de fuerza: Mediante una solución de fécula de maíz al 40% y agua al 60% mezcladas homogéneamente, se ejercen diversas fuerzas, esto con el fin de ver la diferencia en su comportamiento

También se quiere realizar una prueba que muestre resultados cuantitativos mediante la utilización de un viscosímetro de Brookfield que nos dira resultados exactos de la resistencia que opone el fluido a la fuerza imprimida. Cronograma: 

Compra de materiales……………………………………………….Jun 20



Realización del experimento del efecto Weissemberg……….....Jun 23



Analisis de resultados……………………………………………….Jun 27



Realización del experimento del efecto sifón…………………….Jun 30



Analisis de resultados ………………………………………………Jul 3



Realización del experimento del efecto Kyle……………………..Jul 8



Analisis de resultados ………………………………………………..Jul 10



Realización de la prueba agitante y la prueba de fuerza…………Jul 13



Analisis de resultados…………………………………………………Jul 16



Realización del experimento con el viscosímetro de Brookfield…Jul 22



Analisis final……………………………………………………………Jul 30



Planteamiento de las conclusiones…………………………………Agos 15

Resultados esperados: Con este proyecto se espera obtener resultados que demuestren las diferencias entre las propiedades de los fluidos no newtonianos y newtonianos, dándolos a conocer mediante una experimentación dinámica y practica, y de fácil comprensión para los espectadores, también se quiere comprobar ciertos postulados sobre las propiedades y las características de los fluidos no newtonianos, planteando las características de cada una de sus subdivisiones. Presupuesto: Fecula de Maiz: Pulpa de fruta: 4500 Plastilina: 2500 Gel: 5000 Salsa de tomate: 4500 Miel: 10000 Bibliografía http://fraann.wordpress.com/2007/08/09/8-experimentos-con-fluidos-no-newtonianos/ http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r58260.PDF “Fundamentos de reología de alimentos” Juan Sebastián Ramírez...