Definición de Viscosidad
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
La viscosidad es una importante propiedad física de los fluidos que determina la resistencia al flujo y se puede utilizar para caracterizar una variedad de materiales, desde líquidos como el aceite y el agua hasta gases como el aire. Asimismo, la viscosidad se puede utilizar como indicador de qué tan bien funcionará un material en ciertas aplicaciones, como la lubricación o el sellado.
La viscosidad de un fluido está determinada por su estructura molecular; las moléculas más grandes y más complejas suelen ser más viscosas que las más pequeñas. La temperatura también puede afectar la viscosidad; las temperaturas más altas tienden a reducirla, mientras que las más bajas la aumentan. Además, la presión afecta la viscosidad, ya que el aumento de la presión hace que las moléculas del fluido se acerquen, lo que da como resultado una mayor resistencia contra el movimiento dentro del propio líquido.
En general, comprender cómo se comportan los diferentes fluidos en condiciones variables nos ayuda a utilizarlos mejor para fines específicos, como procesos de fabricación o proyectos de ingeniería, donde el control preciso de sus propiedades es esencial para la selección adecuada del fluido a emplear.
Los aceites y otras sustancias industriales, como las pinturas y resinas, son clasificados considerando, entre otros parámetros, su viscosidad.
Tipos de viscosidades
Las viscosidades cinemática y dinámica son dos propiedades físicas de los fluidos que se relacionan con la resistencia a su flujo. La viscosidad cinemática es una medida de la resistencia interna del fluido, mientras que la dinámica es un indicador de la fuerza externa necesaria para mantener el movimiento del fluido.
Ambos tipos de viscosidades varían con respecto a temperaturas diferentes, lo cual puede tener efectos importantes en muchas situaciones industriales y comerciales.
La miel de abejas es un fluido posee una viscosidad superior a la del agua, ya que como se observa, presenta mayor resistencia a fluir sobre una superficie.
En primer lugar, hay que destacar que generalmente las viscosidades cinemática y dinámica disminuyen cuando sube la temperatura: estudios han demostrado casi siempre un descenso lineal entre las variaciones en función de los grados centígrados. Esto significaría, por ejemplo, para productores alimenticios o farmacéuticos el uso de menor cantidad de sustancia lubricante durante procesamiento para facilitar el flujo de productos en la temperatura de trabajo.
Por otro lado, debido al descenso lineal antes mencionado, existen ciertas situaciones donde el calor excede a los sistemas controlados por un fluido viscoso (como el del motor), por lo que pueden deteriorarse debido a su incremento en la velocidad de trabajo y provocar el aumento de revoluciones y temperatura del motor, más allá de valores establecidos por el fabricante, causando daños importantes a largo plazo en su funcionamiento y rendimiento operativo.
Determinación de la viscosidad
Si se suponen dos placas planas paralelas entre las cuales se encuentra un fluido, y una de las placas permanece en reposo, mientras que la otra se desplaza en dirección paralela a la otra placa; experimentalmente se sabe que las capas del fluido que se encuentran más cercanas a la superficie en movimiento experimentarán mayor velocidad que aquellas que se encuentran más alejadas de ella (perfil de velocidades representado en la figura con el color naranja).
A su vez, supongamos que la separación entre las dos placas es muy pequeña (dy). Bajo estas premisas, se conoce, a partir de la ley de viscosidad de Newton, que para muchos fluidos (Newtonianos), la fuerza tangencial que se le aplica a la placa de superficie “A” es directamente proporcional a la velocidad de la placa “v”, e inversamente proporcional a la distancia (dy), es decir:
Donde:
τ: esfuerzo cortante (N/m2)
dv/dy: se conoce como corte de cizallamiento o diferencial de velocidad
μ: viscosidad absoluta y representa en la ecuación el factor de proporcionalidad
De esta expresión, se deduce que los fluidos que obedecen a esa relación se les conoce como fluidos Newtonianos, en los cuales, la viscosidad permanece constante, aunque varíe el esfuerzo cortante. Por el contrario, en los fluidos no Newtonianos, la viscosidad no permanece contante ante los cambios de esfuerzo cortante.
La fécula de maíz cuando se mezcla con agua, forma un fluido no Newtoniano, por lo que al variar el esfuerzo cortante, se modifica su viscosidad. Por el contrario, la leche líquida, se comporta como un fluido Newtoniano.
De la expresión anterior también se deduce que la viscosidad absoluta, o también llamada dinámica, posee en el Sistema Internacional, unidades de N.s/m2, y en el sistema CGS (Cegesimal), se expresa en dinas.s/s2, que equivale a 1 Poise (P) = 100 cP (centi Poise)
También es común referirse a la viscosidad como la relación entre la viscosidad absoluta (μ) entre la densidad del fluido (ρ), y a este cociente se le denomina viscosidad cinemática (φ). Cuyas unidades en el Sistema Internacional son m2/s o en el CGS cm2/s = stoke (st)
1 st = 100 cst
Art. actualizado: Feb. 2023; sobre el original de noviembre, 2016.
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