Viscosidade

A viscosidade dun fluído é unha medida da súa resistencia ás deformacións graduais producidas por tensións cortantes ou tensións de tracción, é dicir, a resistencia que ofrece un fluído ao movemento uniforme da súa masa, debida ao rozamento das moléculas que o compoñen.

Certos fluídos como, por exemplo, o mel, mostran unha viscosidade maior que a auga.

Viscosímetro de Ostwald.

A viscosidade correspóndese co concepto informal de "espesor". Por exemplo, o mel ten unha viscosidade moito maior que a auga.

A viscosidade é unha propiedade física característica de todos os fluídos, a cal emerxe das colisións entre as partículas do fluído que se moven a diferentes velocidades, provocando unha resistencia ao seu movemento. Cando un fluído se move forzado por un tubo, as partículas que compoñen o fluído móvense máis rápido cerca do eixe lonxitudinal do tubo, e máis lentas cerca das paredes. Polo tanto, é necesario que exista unha tensión cortante (como unha diferenza de presión) para superar a resistencia de fricción entre as capas do líquido, e que o fluído siga movéndose polo tubo. Para un mesmo perfil radial de velocidades, a tensión requirida é proporcional á viscosidade do fluído.

Un fluído que non teña viscosidade chámase fluído ideal. A viscosidade nula soamente aparece en superfluídos a temperaturas moi baixas. O resto dos fluídos coñecidos presentan algo de viscosidade. Porén, o modelo de viscosidade nula é unha aproximación bastante boa para certas aplicacións.

A viscosidade dalgúns fluídos mídese experimentalmente con viscosímetros e reómetros. A parte da física que estuda as propiedades viscosas dos fluídos é a reoloxía.

Definición

A viscosidade maniféstase en líquidos e gases en movemento. Definiuse a viscosidade como a relación existente entre o esforzo cortante e o gradiente de velocidade. Esta viscosidade recibe o nome de viscosidade absoluta ou viscosidade dinámica. Xeralmente represéntase pola letra grega μ.

Coñécese tamén outra viscosidade, denominada viscosidade cinemática, que se representa pola letra grega ν. Para calcular a viscosidade cinemática basta con dividir a viscosidade dinámica pola densidade do fluído:

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

Explicación da viscosidade

Imaxinemos un bloque sólido (non fluído) sometido a unha forza tanxencial (por exemplo: unha goma de borrar sobre a que se sitúa a palma da man que empuxa en dirección paralela á mesa). Neste caso, o material sólido (a) opon unha resistencia á forza aplicada, pero se deforma (b), tanto máis, canto menor sexa a súa rixidez.

Se imaxinamos que a goma de borrar está formada por delgadas capas unhas sobre outras, o resultado da deformación é o desprazamento relativo dunhas capas respecto das adxacentes, tal como mostra a figura (c).

Deformación dun sólido pola aplicación dunha forza tanxencial.

Exemplo da viscosidade do leite e a auga. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras.

Nos líquidos, o pequeno rozamento existente entre capas adxacentes denomínase viscosidade. É a súa pequena magnitude a que lle confire ao fluído as súas peculiares características; así, por exemplo, se arrastramos a superficie dun líquido coa palma da man como facíamos coa goma de borrar, as capas inferiores non se moverán ou faráno moito máis lentamente que a superficie, xa que son arrastradas por efecto da pequena resistencia tanxencial, mentres que as capas superiores flúen con facilidade. Igualmente, se revolvemos cunha culler un recipiente grande con auga no que depositamos pequenos anacos de cortiza, observaremos que ao revolver no centro tamén se move a periferia, e ao revolver na periferia tamén dan voltas os anaquiños de cortiza do centro; de novo, as capas cilíndricas de auga móvense por efecto da viscosidade, diminuíndo a súa velocidade a medida que nos afastamos da culler.

Cómpre sinalar que a viscosidade só se manifieta en fluídos en movemento, xa que cando o fluído está en repouso adopta unha forma tal na que non actúan as forzas tanxenciais que non pode resistir. É por iso polo que enchendo un recipiente cun líquido, a superficie do mesmo permanece plana, é dicir, perpendicular á única forza que actúa nese momento, a gravidade, sen existir por tanto compoñente tanxencial ningunha.

Se a viscosidade fora moi grande, o rozamento entre capas adxacentes seríao tamén, o que significa que estas non poderían moverse unhas respecto das outras ou faríano moi pouco, é dicir, estariamos ante un sólido. Se polo contrario a viscosidade fora cero, estariamos ante un superfluído que presenta propiedades notábeis como escapar dos recipientes aínda que no estean cheos (véxase Helio-II).

A viscosidade é característica de todos os fluídos, tanto líquidos como gases, se ben, neste último caso o seu efecto adoita ser desprezable, están máis preto de ser fluídos ideais.

Expresións cuantitativas

Existen diversos modelos de viscosidade aplicábeis a substancias que presentan comportamentos viscosos de diferente tipo. O modelo ou tipo de fluído viscoso máis sinxelo de caracterizar é o fluído newtoniano, que é un modelo lineal (entre o gradiente de velocidades e as tensións tanxenciais) pero tamén existen modelos non lineais con adelgazamento ou espesamento por cortante como os plásticos de Bingham.

Fluído newtoniano

Artigo principal: Fluído newtoniano.

Esquema que permite entender a resistencia ao avance dunha placa horizontal sobre a superficie dun fluído newtoniano.

Nun fluído newtoniano a forza de resistencia experimentada por unha placa que se move, a velocidade constante $u_{0}$ poa superficie dun fluído vén dada por:

$F_{R}=\mu A{\frac {u_{0}}{h}}$

onde:

$F_{R}\,$, forza cortante (paralela á velocidade).

$A\,$, área da superficie do sólido en contacto co fluído.

$\mu \,$, coeficiente de viscosidad edinámica.

$h\,$, altura do nivel de fluído ou distancia entre a placa horizontal e o fondo do recipiente que contén o fluído.

Esta expresión pódese reescribir en termos de tensións tanxenciais sobre a placa como:

$\tau _{xy}=\mu {\frac {\partial u}{\partial y}}$

onde $u$ é a velocidade do fluído.

Unidades

Véxase tamén: Unidades de viscosidade.

Viscosidade dinámica, μ

Relaciona o esforzo ou tensión local nun fluído en movemento coa velocidade de deformación das partículas fluídas. A viscosidade dun fluído é a resistencia á que as distintas láminas esvaren entre si.

A viscosidade dinámica, designada como μ, mídese, en unidades do Sistema Internacional de Unidades, en pascal-segundo (Pa·s), ou N·s·m⁻², ou kg·m⁻¹·s⁻¹.

No Sistema Ceguesimal utilízase o poise (P).

1 poise = 1 [P] = 10^-1 [Pa·s] = [10^-1 kg·s^-1·m^-1]

A continuación móstranse valores de viscosidade dinámica para algúns fluídos:

Gas (a 0 °C):	Viscosidade dinámica μ [Pa·s]
Hidróxeno	0,00084
Aire	0,0000174
Xenon	0,000212
Auga (20 °C)	0,001

Viscosidade cinemática, ν

A viscosidade cinemática, designada como ν, mídese, en unidades do Sistema Internacional, en metros cadrados por segundo (m²·s⁻¹).

No Sistema Ceguesimal utilízase o stokes (St).

Véxase tamén

Bibliografía

• Hatschek, Emil (1928). The Viscosity of Liquids. New York: Van Nostrand.
• Massey, B. S.; A. J. Ward-Smith (2011). Mechanics of Fluids (Ninth ed.). Londres / Nova York: Spon Press. ISBN 978-0-4156-0260-0. 

Outros artigos

• Efecto Coandă
• Unidades de viscosidade
• Viscoelasticidade

Ligazóns externas

• Táboa de conversión entre sistemas de viscosidade. (en castelán).
• A táboa SAE J306 de clasificación de aceites de transmisións e diferenciais. (en castelán).
• A táboa SAE J300 de clasificación de aceites de motores. (en castelán).