La viscosidad es una propiedad de los líquidos de resistir la deformación, como el flujo. En casa, probablemente conozcas esta propiedad como el espesor de un fluido. La palabra proviene de la palabra latina viscum, que significa muérdago, cuyas bayas se usaban en la antigüedad para crear pegamento.
El agua no se comporta así, esa es la viscosidad.
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La viscosidad puede ser un concepto extraño para entender, porque hace que los fluidos no actúen como fluidos. Gran parte de nuestra comprensión intuitiva de los fluidos depende de que se comporten de cierta manera. El agua, el líquido por excelencia, fluye inmediatamente cuando se vierte; toma la forma de su recipiente, y si no hay recipiente, se derrama por todas partes. Es absorbido por esponjas o tierra; burbujea con gusto cuando hierve.
Por otro lado, la brea se puede confundir fácilmente con un sólido. Debido a que es tan altamente viscoso, apenas fluye, le resulta bastante fácil mantener su forma rugosa y apenas se filtra a través del suelo o las esponjas.
Entonces, veamos cuál es esta propiedad que hace que los fluidos no sean fluidos.
La fuente de la viscosidad
En términos estrictamente físicos, la viscosidad es el esfuerzo cortante de un fluido sobre su velocidad de corte y se expresa en poise (P), una medida de presión por segundo. Muestra cuánta fuerza por unidad de área necesita aplicar para hacer que un fluido se mueva (esfuerzo cortante) y cómo las capas internas de ese fluido se moverán entre sí (velocidad de corte).
En resumen, muestra cuánta energía necesita aplicar para hacer que fluya un fluido. El campo de la ciencia que estudia los patrones de flujo de la materia se llama reología del término griego rheo, que significa flujo.
La viscosidad es el producto de la fricción interna entre las moléculas de los fluidos. Tanto los gases como los líquidos tienen viscosidad, pero las moléculas en los líquidos están más apretadas, lo que hace que interactúen más y, por lo tanto, tengan una viscosidad más alta que los gases.
La viscosidad hace que los fluidos fluyan más lentamente, pero también se adhieren fuertemente a los sólidos.
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La velocidad de corte es importante en esta ecuación porque describe cómo las sucesivas capas de moléculas en un fluido interactúan entre sí. Una excelente manera de verlo en acción es verter miel de un frasco. Fluye mucho más lentamente que el agua porque es más viscoso que ella. Pero también notará que la miel en el centro fluirá antes que la miel en los lados del frasco.
Esto se debe a la fricción entre las capas que mencionamos anteriormente. Las moléculas de miel que están justo al lado del vidrio serán atraídas por las moléculas del vidrio lo suficientemente fuerte como para que sean básicamente estacionarias (los sólidos son grupos densos de moléculas inmóviles). A su vez, generarán fricción con otras moléculas de miel.
La fricción siempre se opone a la dirección del movimiento, por lo que, en efecto, evita que el fluido se deslice fuera del vidrio. Otras capas de miel también experimentan fricción, pero contra capas de fluido que son más móviles que el vidrio, por lo que hay menos fricción. Mantenga el modelo en marcha y la miel justo en el medio del frasco será más fluida porque experimenta poca fricción (contra otras moléculas de miel relativamente móviles).
No solo ralentiza la viscosidad del fluido de vertido, también evita que los objetos pasen. Una cuchara atravesará el agua casi sin esfuerzo, pero no así la miel.
Las burbujas de aire se elevan rápidamente a través de la soda, pero tienen dificultades para ascender a través de la miel.
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Una buena manera de pensar en la viscosidad es que todas las moléculas en un fluido tienen manos y las usan para sujetar a sus vecinas. Cuanto mejor puedan adherirse estas moléculas, más viscosa será la sustancia. En términos físicos, estas manos forman la fuerza cohesiva, siendo generada por interacciones químicas y físicas entre moléculas.
Tipos de viscosidad
Los verdaderos sólidos no pueden ser viciosos. En los sólidos, las moléculas no pueden moverse realmente unas con respecto a otras. Si uno se mueve, todos se mueven o se rompen. Dado que la viscosidad se define en relación con el flujo (donde las partículas se mueven independientemente unas de otras), no puede, por definición, aplicarse a un verdadero sólido. Sería como tratar de definir a qué sabe la luz. Dicho esto, no todos los fluidos nacen iguales en cuanto a viscosidad.
La clase más común de material viscoso que encontrará son los fluidos newtonianos. Estos siempre se comportan como deberían hacerlo los fluidos, teniendo una viscosidad relativamente constante. Aunque su resistencia al flujo aumenta a medida que se aplica más fuerza, esto es proporcional a la fuerza que se aplica. Los fluidos newtonianos, para todos los efectos, siguen actuando como fluidos sin importar cuánta fuerza ejerzas sobre ellos.
El aire es un fluido newtoniano, aunque la viscosidad no influye en la velocidad del sonido a través del aire.
Golpear un globo lleno de agua coloreada (abajo) hace que salpique por todas partes. Sin embargo, una mezcla de almidón y agua (arriba, un fluido no newtoniano) se vuelve casi sólida y se rompe. Además, tenga en cuenta cuánto ralentiza cada uno el bate en el impacto.
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En el otro extremo del espectro, tenemos fluidos no newtonianos. Con ellos, la viscosidad varía mucho con la fuerza que se aplica, pero no necesariamente de la misma manera entre diferentes materiales. La masilla tonta es un buen ejemplo; si se deja solo, es un poco fofo, pero cuando aplicas fuerza contra la masilla, se endurece. Hay tres grandes categorías de fluidos no newtonianos: dilatantes (la viscosidad aparente aumenta con la fuerza ejercida), pseudoplásticos (la viscosidad aparente disminuye con la fuerza ejercida) y los fluidos newtonianos generalizados (que, irónicamente, no son newtonianos). La salsa de tomate tampoco es newtoniana, pero se vuelve menos viscosa cuando se aplica fuerza.
Los fluidos electrorreológicos y magnetorreológicos aumentan su viscosidad en presencia de campos eléctricos y magnéticos respectivamente y pueden volverse casi sólidos en las condiciones adecuadas y volver rápidamente a ser líquidos si es necesario.
¿Qué ha hecho la viscosidad por ti?
Una mezcla de almidón de maíz y agua (similar a la anterior) que presenta propiedades no newtonianas.
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Quizás uno de los impactos más importantes que tiene la viscosidad en nuestras vidas está en nuestra biología. El tamaño, la forma y la estructura de nuestros corazones, sistema circulatorio y prácticamente todos los demás tejidos, así como las estructuras y la funcionalidad de nuestras células, están moldeados para aprovechar o evitar la viscosidad. Nuestro sistema inmunológico depende en gran parte de nuestros canales linfáticos. Al carecer del poder propulsor de nuestro corazón, los vasos linfáticos tienen que diseñarse en torno a la viscosidad de la linfa para que todo funcione correctamente.
Cada mañana, cuando vas a cepillarte los dientes, su viscosidad evita que la pasta del tubo salpique por todas partes. Sin viscosidad, su ketchup se escurriría de la botella casi instantáneamente, y los lubricantes en su automóvil no podrían cubrir (y por lo tanto, lubricar) nada.
La viscosidad es lo que hace que los líquidos quieran agruparse, y fue un factor clave en aplicaciones como la fabricación de píldoras. Las industrias involucradas en la producción de alimentos, productos químicos, adhesivos, biocombustibles, pinturas, medicamentos y procesamiento de petróleo vigilan de cerca la viscosidad de sus productos.
Finalmente, la viscosidad siempre nos está afectando, aunque hemos evolucionado para no sentirla. Pero cada vez que realiza el más mínimo movimiento, la viscosidad del aire trabaja en su contra y produce resistencia al aire. Nadar también te permite experimentar un sabor algo más concentrado de viscosidad.
Personalmente, encuentro que los procesos que ocurren principalmente en el fondo de nuestra conciencia, los desvalidos de la física (como la viscosidad) son los más fascinantes para estudiar. Puede que los demos por sentados, que ni siquiera seamos conscientes de que existen, pero silenciosamente juegan un papel en todo lo que hacemos. Incluso uno más humilde, como la viscosidad, ha moldeado directamente la vida en la Tierra en lo que es hoy.
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