El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

[Mecánica de fluidos I] Viscosidad

Nos encontramos ya entrando en la recta final de nuestro bloque introductorio a la Mecánica de fluidos. Después de establecer las bases más clásicas de esta disciplina en los primeros siete capítulos, en el último empezamos a desviarnos hacia cosas algo más complicadas hablando de la tensión superficial. Como seguro que recuerdas, la razón de su existencia era algo no considerado por la mecánica clásica de fluidos –las atracciones intermoleculares–. Hoy continuaremos nuestro camino hacia la mecánica de fluidos moderna teniendo en cuenta otra cosa más: el movimiento de los fluidos.

La primera parte del bloque ha estado dedicada al estudio de los fluidos en equilibrio, es decir, la estática de fluidos. Ya dijimos en la introducción al bloque que el estudio de los fluidos que no lo están es mucho más complicada, y tardamos bastante tiempo en comprender su comportamiento de manera razonable. Hemos visto, por ejemplo, que Arquímedes ya era capaz de predecir aspectos del comportamiento de los fluidos antes de nuestra era, y que Pascal hizo lo propio en el siglo XVII. Pero todos ellos estudiaban fundamentalmente fluidos en equilibrio: dicho mal y pronto, porque no vamos a entrar aquí en sutilezas, fluidos que no se mueven ((Estrictamente hablando, que no tienen aceleración)).

Esto puede parecer muy limitado, pero permite ya entender el comportamiento de muchos sistemas físicos: las presas, los gatos hidráulicos, los barcos, la presión atmosférica, los globos de helio… multitud de cosas, muchas de ellas muy prácticas. Desde luego, hay muchas otras cosas para las que la estática de fluidos no vale – el funcionamiento de la vela de un barco, el flujo del agua de un río o una tubería, la formación de remolinos, tornados o huracanes… pero es que, como ya hemos dicho en la introducción, este tipo de sistemas son endiabladamente difíciles de entender y de predecir. Tanto es así que la parte de la mecánica de fluidos que los estudia, la dinámica de fluidos, tuvo que esperar muchos siglos para desarrollarse hasta alcanzar cierta solidez.

Remolino, turbulencia
Flujo turbulento: hermosa pesadilla (dominio público).

Esto no quiere decir que en este bloque no hablemos de la dinámica de fluidos, ni mucho menos. Aunque sea un bloque introductorio quiere dar una idea general del comportamiento de este tipo de sistemas, aunque sea de manera cualitativa. No podría ser de otra manera, porque vamos a hablar precisamente de lo que da nombre a este tipo de sustancias: el hecho de que fluyen. Sería una lástima terminar el bloque sin aprender sobre el estudio de cómo lo hacen.

De hecho, ya hemos puesto una pata en la dinámica de fluidos al hablar del principio de Arquímedes y de la flotabilidad, aunque hayamos esperado hasta hoy para explorar sus consecuencias. Como vimos entonces, un cuerpo sumergido en un fluido cuya densidad no coincida con la suya sufrirá inevitablemente una aceleración hacia arriba –si es menos denso que el fluido– o hacia abajo –si es más denso–. Imaginemos lo primero en un caso muy simple: tiramos una piedra en un estanque y la piedra se hunde. En el capítulo dedicado al principio de Arquímedes vimos qué le sucedía a la piedra, y mencionamos brevemente lo que le pasaba al agua. Si lo recuerdas estoy seguro de que verás la conexión con el artículo de hoy: ¿qué le sucedía al agua?

El propio razonamiento que dimos para comprender el principio de Arquímedes se basaba justamente en el comportamiento del agua: al sumergirse en el agua, la piedra desplaza agua y la eleva. Esto significa que, según la piedra va descendiendo hacia el fondo del agua, va recorriendo una columna de agua y va desplazándola hacia arriba. Dicho de otro modo, el agua que antes estaba en reposo se mueve, en general hacia arriba, y de hecho cuando la piedra está completamente cubierta de agua el nivel de agua sube. Pero ¿cómo sube el agua? ¿qué consecuencias tiene su movimiento sobre el líquido circundante? ¿da igual lo rápido que se hunda la piedra, el agua siempre se comportará igual? A todas estas preguntas responde la dinámica de fluidos, en este caso en su versión para líquidos, antiguamente llamada hidrodinámica para distinguirla de la dinámica de gases, normalmente llamada aerodinámica (como suele pasar, ambos nombres provienen de los fluidos correspondientes más comunes, el agua y el aire). La dinámica de fluido estudia precisamente lo que los hace fluidos, es decir, su capacidad de fluir.

La dinámica de fluidos es tan compleja porque el flujo de los fluidos depende de factores a veces muy sutiles que se acumulan para convertirla en una pesadilla casi impredecible. En situaciones ideales es hasta cierto punto sencillo predecir su comportamiento, pero en la realidad es realmente difícil. La solución ha sido, como suele pasar en estos casos, clasificar el flujo de los fluidos de acuerdo básicamente con qué factores tienen un peso considerable en su comportamiento: si estudiamos un sistema en el que pocos factores complicados influyen, es posible utilizar modelos simples que son fáciles de manejar y que proporcionan resultados razonables. Si aparecen factores endiabladamente complejos entonces debemos acudir a los modelos más completos –y más terroríficos– para poder predecir nada.

De modo que empecemos por pensar en cómo fluye un fluido –perdón por la redundancia– y qué comportamientos son simples y cuáles no lo son. Y hagámoslo primero, porque es esencial comprenderlo, hablando sobre la diferencia en el movimiento de un sólido y el flujo de un fluido.

Como vimos en la introducción al bloque, la diferencia fundamental entre el movimiento de un sólido y el de un fluido, por la propia naturaleza de ambos, es la siguiente: las partes de un sólido se mueven todas a la vez, mientras que las de un fluido pueden hacerlo cada una por su cuenta. Una piedra que vuela por el aire, por ejemplo, se traslada como un todo al avanzar; puede rotar sobre su eje, pero la velocidad angular de todas sus partes es la misma. No tendría sentido preguntarse, ¿Qué distancia separará la parte inferior de la piedra de la parte superior dentro de media hora? ¿Se mantendrán cerca o se alejarán? ¡Sería absurdo, la piedra es la piedra y punto!

Pero en el caso de un fluido esto no es así: las partes de un fluido pueden desplazarse unas respecto a otras, de modo que debemos fijarnos en todas y cada una de esas partes para comprender el comportamiento del fluido entero. Es posible que algunas zonas se muevan más deprisa que otras, o que cambie la distancia entre ellas, o que se muevan en direcciones diferentes… es posible casi cualquier cosa. Y esas infinitas posibilidades son las que nos fuerzan a pensar en modelos simples para casos sencillos.

Por ejemplo, hemos dicho que las partes del fluido pueden desplazarse unas respecto a otras. Esto significa que pueden desplazarse unas sobre otras y así rozar entre ellas, algo que no podía suceder en el caso de la piedra. Tiene sentido preguntarnos si la piedra sufre fricción debido al aire contra el que se mueve o, si la arrastramos por el suelo, si el desplazamiento sobre la superficie produce rozamiento que frene la piedra; pero no tiene razón de ser preguntarnos si las diferentes partes de la piedra rozan unas contra otras.

En un fluido, sin embargo, esto sí puede suceder. Imagina, por ejemplo, el océano en profundidad: podemos visualizarlo como una serie de capas horizontales, una en la superficie, otra un poco más abajo, otra más abajo aún, etc. E imagina también que sopla una brisa sobre la superficie de nuestro océano que hace que la capa superficial se mueva: ¿se mueve todo el océano, sólo la capa superior, o todas las capas pero no con igual ímpetu? Es una pregunta importantísima que no tendría sentido hacerse si el océano fuera un sólido.

De hecho, pensemos en los posibles comportamientos que podrían darse en este caso, dependiendo de cuánto afecta la capa superior del océano a las inferiores:

  • Si no existe la menor influencia entre ellas, la capa superior fluirá debido al viento pero las que hay por debajo no notarán el menor efecto y permanecerán en reposo. Se trataría de un fluido que no sufre ninguna fricción al desplazarse sobre sí mismo: el fluido más “fluido” que puedas imaginar.

  • Si la fricción entre capas es gigantesca, cuando el viento arrastra la capa superior en una dirección determinada las que hay por debajo serán a su vez arrastradas por ella, de manera que el océano se moverá como un todo en la dirección del viento: se estaría comportando como un sólido.

  • Si estamos en un caso intermedio, la capa superior se moverá debido al viento y arrastrará en cierta medida a la que hay por debajo, que se moverá algo más despacio. Ésta a su vez arrastrará la inmediatamente inferior a ella, que se moverá un poco más despacio, y así sucesivamente: todas las capas se moverán, pero cada capa se moverá más despacio que la anterior.

Seguro que te estás dando cuenta ya: nos hemos “graduado” en entender el comportamiento ideal de los fluidos y estamos entrando en matices. Como puedes ver, el primer comportamiento es precisamente la definición de un fluido ideal, mientras que el segundo es el de un sólido. Pero, como hemos dicho varias veces en el bloque, se trata de etiquetas absolutas que describen un comportamiento que es relativo: es una cuestión de grado, y los fluidos reales se comportan de hecho como el tercer punto. Y es necesaria una manera de cuantificar esta cualidad.


Viscosidad

Podríamos definir una propiedad, la fluidez, que nos dijera cómo de fluido es realmente un fluido (el primer comportamiento de antes sería un fluido estupendo, el segundo un fluido espantoso). Sin embargo, es muy común en Física no medir la facilidad con la que sucede algo, sino la resistencia a que algo suceda –porque suele ser más fácil medir eso–, de modo que en este caso optamos por definir una propiedad diferente: la viscosidad.

Aunque la definamos en un momento, todos tenemos un concepto intuitivo de la viscosidad, ya que a lo largo de nuestra vida estamos en contacto con muchísimos fluidos diferentes. Si piensas, por ejemplo, en el agua y la miel, está clarísimo cuál de los dos líquidos es más viscoso que el otro, lo mismo que si piensas en la miel y el alquitrán semifundido. En general, un fluido muy viscoso se resiste al deslizamiento de unas capas sobre otras, con lo que tiende a mantenerse unido, mientras que uno muy fluido –muy poco viscoso– se desliza sin el menor problema.

De hecho, si lo llevamos al extremo, un fluido de una viscosidad gigantesca se resistirá a cambiar de forma, con lo que su comportamiento se parecerá más a un sólido que a un fluido propiamente dicho. Como digo, es una cuestión de grado, y en un momento doy algunos números para que puedas comparar algunos fluidos comunes y cosas que es difícil ya llamar fluidos por su enorme viscosidad. Pero, antes, una definición.

Aunque definir matemáticamente la viscosidad requiere conceptos que superan este bloque introductorio, es un concepto lo suficientemente intuitivo como para que demos una definición que nos sobra por ahora:

La viscosidad de un fluido es una medida de la resistencia que ofrece al desplazamiento de unas capas de fluido sobre otras.

Fluidez

El caso de la viscosidad se parece hasta cierto punto al de la resistencia eléctrica. La resistencia es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente, y la viscosidad es la oposición que presenta un fluido al desplazamiento entre sus capas.

En la electricidad existía una magnitud inversa a la resistencia, que indicaba la facilidad de paso de corriente por el cuerpo: la conductancia, inversamente proporcional a la resistencia. Dado que es más fácil medir empíricamente la resistencia, fue ésa la que terminamos usando más a menudo.

Bien, aquí pasa casi lo mismo: existe una magnitud inversamente proporcional a la viscosidad, la fluidez, que mide lo fácil que es desplazar una capa de fluido sobre las demás. Pero, como en el caso anterior, es más fácil medir resistencia al desplazamiento, de modo que lo que solemos utilizar es la viscosidad, y por esa razón hablamos de ella aquí.

Otra manera de visualizarlo es así: cuando una parte de un fluido se desliza respecto a otra aparece una fricción que se opone a ese deslizamiento. Esa fricción depende de la velocidad relativa (cuanto más rápido se mueve una respecto a otra, más fricción) y a la viscosidad del fluido – mover una capa de aire respecto a otra no cuesta lo mismo que una capa de miel respecto a otra a la misma velocidad, ni mucho menos. Ése es el efecto de la viscosidad en el comportamiento de los fluidos.

También es posible mirarlo al revés: no fijarse en la resistencia al deslizamiento como consecuencia de él, sino observar cuánto deslizamiento aparece si forzamos una capa a moverse. En nuestro ejemplo de antes del océano, imagina tres tipos de océano diferentes –hechos de fluidos distintos–. En los tres forzamos la capa superior a moverse con una velocidad determinada. ¿Qué les pasa a las otras? Creo que el siguiente dibujo será revelador para entender la viscosidad:

Viscosidad

El fluido de la izquierda es muy viscoso: es casi un sólido. Cuando arrastramos la capa superior con cierta velocidad, la fricción con la siguiente la fuerza a moverse a su vez a la derecha. No lo hace con la misma velocidad que la capa superior, claro, porque al fin y al cabo es un fluido. Esta segunda capa arrastra a la siguiente, ésta a la siguiente, etc.

El fluido central es algo intermedio: la fricción entre capas es menor que antes, con lo que cada capa siente menos arrastre que en el caso de la izquierda. El deslizamiento de unas capas sobre otras es más suave y el fluido, por tanto, fluye mejor.

El fluido de la derecha tiene una viscosidad tan pequeña que apenas hay interacción entre capas: la capa inferior sufre un arrastre muy pequeño, de modo que se mueve muchísimo menos que la superior. A su vez arrastra la que tiene debajo –porque no es un fluido perfecto–, pero una vez más se trata de una fricción muy pequeña. En una distancia corta descendemos a regiones del fluido que apenas notan el movimiento por encima.

A riesgo de repetirme quiero dejar clara la diferencia entre ambas maneras de mirar el asunto (movimiento o frenado como efecto de la viscosidad), porque entenderlo es clave para comprender la viscosidad:

  • ¿Cuánto se frenará una capa de fluido si intentamos desplazarla respecto a las contiguas? Si la viscosidad es muy pequeña, la resistencia al desplazamiento será muy pequeña y la capa de fluido apenas se frenará – tiene mucha libertad de movimiento respecto a las otras. Si la viscosidad es muy grande la fricción también lo será y la capa se frenará muy deprisa.

  • ¿Cuánto se desplazarán las capas contiguas, antes en reposo, si forzamos a una capa a desplazarse? Si la viscosidad es muy pequeña, la fricción también lo será y las capas contiguas notarán muy poco arrastre por parte de la capa central, de modo que apenas de moverán. Si la viscosidad es muy grande, las capas contiguas sufrirán un gran arrastre por parte de la central y se moverán casi a su misma velocidad.

Como espero que veas, aunque son maneras diferentes de verlo hay algo en común en ambos razonamientos: una gran viscosidad fuerza al fluido a moverse como un todo, mientras que una viscosidad muy pequeña permite libertad de movimiento relativo a diferentes capas del fluido.

Viscosidad, acción y reacción

Si has leído el bloque [Mecánica clásica I] tal vez hayas visto la conexión entre ambos comportamientos: un fluido poco viscoso no transmite mucho la velocidad entre capas ni frena mucho a una capa que se mueve, y un fluido muy viscoso frena rápidamente a una capa que se mueve mientras que transmite muy bien la velocidad entre capas. La razón es el tercer principio de la dinámica – la ley de acción y reacción de Newton.

Cuando una capa se mueve respecto a otra aparece una fuerza de fricción entre ambas: una fuerza tanto mayor cuanto más viscoso es el fluido y más grande es la velocidad relativa entre las capas. Pero ¿quién sufre esta fuerza?

¡Las dos capas, por supuesto! Si la capa superior se mueve hacia la derecha, por ejemplo, respecto a la inferior, sufrirá una fuerza de frenado hacia la izquierda. Pero, por el principio de acción y reacción, la capa inferior inicialmente en reposo sufrirá una fuerza hacia la derecha idéntica a la anterior, que la forzará a moverse.

Así, si la capa superior apenas se frena –fluido muy poco viscoso–, la capa inferior apenas se moverá a su vez. Pero si la capa superior frena mucho, la inferior acelera mucho. Ambos comportamientos son realmente el mismo cuando los miramos bajo el ojo de Newton.

Si te fijas, en cierto sentido es algo parecido a la tensión superficial: una consecuencia de la interacción entre las partículas que componen el fluido. Sin embargo, no es exactamente lo mismo, y me parece lo suficientemente importante entender la diferencia para detenernos un momento en esto.

En primer lugar, la tensión superficial se debía al hecho de que las moléculas que componen el fluido se atraen unas a otras, de modo que pueden deslizar unas sobre otras pero se resisten a alejarse unas de otras. A una molécula determinada “le daba igual” cuáles de sus compañeras estaban cerca – lo que se resistía a hacer es alejarse de ellas (o acercarse, por supuesto, pero no voy a volver a repetir todos los matices de nuevo). La viscosidad no tiene nada que ver con acercarse o alejarse: las moléculas se resisten a deslizarse.

Aunque en la práctica –como sucedía con la tensión superficial– la viscosidad es una magnitud tratada empíricamente, su origen microscópico es bien diferente de la tensión superficial: es un tipo de fricción entre las diferentes partes del fluido. En todos ellos, en mayor o menor medida dependiendo del tamaño de sus partículas y su composición, cuando una parte del fluido se mueve sobre otra pasa algo parecido a lo que sucede cuando una superficie sólida se mueve sobre otra: existen irregularidades y pequeños obstáculos, choques entre partículas que se mueven en direcciones diferentes, y por pequeñas que sean estas fuerzas que se oponen al deslizamiento, tienen un efecto medible: si una parte de un fluido se desliza sobre otra y no hacemos nada para remediarlo, la velocidad relativa entre ambas partes irá disminuyendo debido a esta fricción –la viscosidad– hasta que ambas estén en reposo una respecto a la otra.

En segundo lugar, como espero que recuerdes la tensión superficial era una propiedad de los líquidos, no de todos los fluidos: los gases y los plasmas no presentan dificultad en modificar la distancia entre sus partículas constituyentes. Pero la viscosidad está presente en todos los fluidos, no sólo los líquidos, aunque sea mayor en líquidos que en gases o plasmas. Es cierto que la mayor movilidad de las partículas gaseosas puede hacer pensar que allí no habría viscosidad, pero hay otra clave en el asunto: dado que las moléculas del gas se mueven aleatoriamente y muy deprisa, es inevitable que si una parte del gas se mueve sobre otra haya más choques “de frente” entre moléculas que antes, lo cual inevitablemente frena el movimiento relativo de las dos regiones del gas. De hecho, la viscosidad de los gases aumenta con la temperatura por esta razón, mientras que en el caso de los líquidos sucede justo lo contrario.

Para resumir, aunque se trate de una simplificación abyecta, es posible que la siguiente frase ayude a fijarse en tu mente la diferencia entre tensión superficial y viscosidad: la tensión superficial distingue líquidos de gases, la viscosidad distingue fluidos de sólidos.

Normalmente un fluido muy viscoso no sólo presenta gran fricción entre sus capas, sino también contra las superficies sobre las que fluye, y lo contrario pasa con un fluido muy poco viscoso (aunque en ambos casos, por supuesto, hay excepciones). Por lo tanto una piedra que se hunde en un líquido, por ejemplo, lo hará más deprisa en uno poco viscoso que en uno muy viscoso aunque ambos tengan la misma densidad.

¡Ojo! Viscosidad ≠ rigidez

A veces es más peligroso saber algo que no saber nada. Si has estudiado el comportamiento de sólidos rígidos y elásticos es posible que confundas rigidez con viscosidad. Al fin y al cabo, un cuerpo elástico puede deformarse más fácilmente que uno rígido, y un fluido poco viscoso puede desplazar unas partes sobre otras más fácilmente que uno viscoso.

Es cierto que ambas propiedades tienen que ver, pero hay una diferencia fundamental: un cuerpo, elástico o no, se resiste a la deformación tanto más cuanto más se aleja de su forma original. La resistencia aumenta con el desplazamiento.

Sin embargo, un líquido más o menos viscoso no nota para nada el desplazamiento absoluto: le da igual dónde estaba antes respecto a dónde está ahora cualquier parte de fluido. Un fluido se resiste al deslizamiento tanto más cuanto más rápido es el deslizamiento.

Así, si hacemos el proceso muy poco a poco, un fluido viscoso apenas presentará resistencia (porque la velocidad relativa de sus partículas es muy pequeña) por muy lejos que vayamos; pero si realizamos el proceso poco a poco en un cuerpo sólido elástico, cada centímetro que avancemos nos costará más que el anterior, porque estamos aumentando constantemente el desplazamiento respecto a la posición original.

Dado que ambas diferencias son cuestiones de grado, ambas magnitudes por tanto son cuantitativas y tienen sus propias unidades. Sin embargo, lo mismo que no hablamos de unidades en el caso de la tensión superficial, tampoco lo haremos ahora por la misma razón –son complicadas y no añaden mucho a esta discusión cualitativa–. Lo que sí haremos, como hicimos entonces, es hacer algunas comparaciones entre fluidos que conocemos bien.


Fluidos móviles y viscosos

Nuestra referencia, como en el caso de la tensión superficial, va a ser el líquido que mejor conocemos con mucha diferencia: el agua. La propia terminología la utiliza como base; los fluidos menos viscosos que el agua se denominan móviles, mientras que de los de mayor viscosidad se dice que son viscosos.

La leche, por ejemplo, es un líquido viscoso –ya sé que esto suena raro, pero recuerda que es una cuestión de grado–: su viscosidad es el triple que la del agua. De hecho esto nos viene que ni pintado para poner de manifiesto la diferencia entre tensión superficial y viscosidad: la viscosidad del mercurio es 1,5 veces la del agua, pero su tensión superficial es seis veces mayor que la del agua.

Puede que te estés preguntando qué significa exactamente que la leche sea tres veces más viscosa que el agua. Aunque, como digo, no voy a entrar en detalles numéricos, dicho mal y pronto significa que si sometes a una capa fina de leche a una presión hacia un lado para que se deslice sobre la capa inferior, tardará tres veces más en recorrer una distancia igual al grosor de la capa móvil que si haces lo mismo con agua. ¿Ves? Ya te dije que no merecía la pena por ahora: basta con tener claro que la viscosidad produce una fricción proporcional a la velocidad con la que una capa se mueve sobre otra, tanto mayor cuanto más viscoso es el fluido.

Miel
Un fluido viscoso: la miel (dominio público).

El triple de viscosidad puede parecer mucho, pero las diferencias de viscosidad pueden ser mucho mayores. A temperatura ambiente, por ejemplo, la miel es diez mil veces más viscosa que el agua. ¡Diez mil veces! Es una diferencia tan grande que, en el caso de la miel, merece la pena preguntarse si podemos seguir considerando la miel como un fluido. Pero hay cosas aún más viscosas: el ketchup es cinco veces más viscoso que la miel. Ambos presentan, además, otra diferencia con el agua de la que hablaremos en un momento.

¿Dónde está el límite? Teóricamente no lo hay: un sólido perfecto tiene viscosidad infinita, de modo que cualquier sustancia capaz de fluir, por lentamente que sea, es un fluido. La Universidad de Queensland, en Australia, empezó un experimento para medir la viscosidad de la brea en 1930: un embudo lleno de este viscosísimo líquido con un agujero en el fondo. Conocido el tamaño del agujero y la cantidad de brea, es posible medir su viscosidad a partir del número de gotas que caen por unidad de tiempo: un fluido móvil caerá más deprisa, uno viscoso más despacio.

Desde 1930, en el experimento de Queensland han caído ocho gotas de brea. Esto significa que la viscosidad de la brea es doscientos cincuenta mil millones de veces mayor que la del agua. Bastante extremo, ¿verdad?

Brea en el experimento de Queensland
Experimento de la gota de brea de Queensland (John Mainstone / Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 License).

También hay muchos fluidos móviles: todos los gases, por ejemplo, son menos viscosos que el agua. El aire que respiramos tiene una viscosidad cincuenta veces menor que la del agua: es bastante más fluido, pero tal vez no tanto como esperabas, ¿no? Ahora bien, no sólo los gases son móviles, sino también muchos líquidos. Uno de los más conocidos es la acetona (propanona) que se usa, por ejemplo, en el quitaesmalte: tiene un tercio de la viscosidad del agua.

El extremo sería el de un fluido con viscosidad nula: un superfluido. Una de las pocas sustancias que se acercan a este comportamiento es el helio a muy bajas temperaturas, y la ausencia de viscosidad permite a este superfluido hacer cosas realmente extrañas. Por ejemplo, es capaz de atravesar superficies con poros minúsculos que detendrían a cualquier fluido “normal”. Además, su enorme libertad de movimiento hace que la capilaridad –de la que hablamos en el capítulo sobre la tensión superficial– sea extrema, tanto que el helio superfluido es capaz de subir por las paredes de un recipiente y rebosar por el otro lado a pesar de que su nivel sea muy inferior al del borde del recipiente.

Aquí puedes ver algunos de los curiosos comportamientos del helio superfluido:


Fluidos newtonianos y no newtonianos

Como suele suceder, el retrato que acabamos de hacer de la viscosidad es el ideal, ¡a pesar de que la propia viscosidad ya es una desviación del comportamiento ideal! El problema es que, incluso teniéndola en cuenta, hay fluidos que se comportan de diferentes maneras. Lo que “debería pasar”, según hemos dicho, es que si dos regiones del fluido se deslizan una sobre otra debería aparecer una fricción tanto mayor cuanto más viscoso es el fluido y cuanto más rápido se mueve una capa sobre otra.

Cuando un fluido se comporta así –o su comportamiento es tan parecido que no merece la pena complicarse más la vida– se dice que es un fluido newtoniano. Si la resistencia al desplazamiento depende de algún otro factor, si no es proporcional a la viscosidad y la velocidad relativa o, en resumen, si pasan cosas raras, se dice que es un fluido no newtoniano.

¿Qué tiene Newton que ver en todo esto?

Aunque se oye hablar con relativa frecuencia de fluidos no newtonianos, porque pueden ser interesantes y llamativos, no es tan común mencionar el porqué del nombre. La razón es que este genio inglés, el más grande físico de todos los tiempos en mi no tan humilde opinión, además de multitud de otras cosas, enunció una ley empírica sobre el comportamiento de los fluidos viscosos: la ley de la viscosidad de Newton.

Aunque no la mencionásemos al definirla, esa ley es precisamente la base de nuestra definición anterior de viscosidad: por lo tanto, un fluido cuyo comportamiento sigue esa proporcionalidad entre la velocidad relativa entre capas y la resistencia al deslizamiento cumple la ley de Newton. Es un fluido newtoniano.

Por el contrario, si la fricción va aumentando con el tiempo según el desplazamiento aumenta, o si aumenta desproporcionadamente con la tensión, o si le sucede cualquier otra cosa no descrita por la ley de viscosidad de Newton, es un fluido “desobediente”: no newtoniano.

Los gases, por ejemplo, son todos newtonianos: la rareza aparece en los líquidos, y no en todos. El agua es también un fluido newtoniano. Sin embargo, muchos otros líquidos no lo son por diversas razones, y a veces esta anomalía en su comportamiento respecto al de un fluido newtoniano los hace muy útiles:

  • Los fluidos pseudoplásticos disminuyen su viscosidad aparente cuando los forzamos a desplazarse de manera violenta. Así, cuando el movimiento es suave, son bastante viscosos, pero fluyen muy bien cuando ejercemos una gran fuerza sobre ellos. Muchas pinturas antigoteo son así: cuando pintas con la brocha con cierto brío son líquidos muy poco viscosos, pero los leves movimientos hacia abajo provocados por la gravedad –para formar gotas, por ejemplo– se enfrentan a una viscosidad grande.

  • Los fluidos dilatantes son justo lo contrario que los pseudoplásticos: cuando el movimiento es suave son muy fluidos, pero cuando es violento presentan una viscosidad aparente mucho mayor, en algunos casos hasta parecerse casi a un sólido. El caso más famoso es el del almidón de maíz en agua –al que dedicaremos nuestro experimento de hoy–. Este tipo de fluidos puede ser un excelente chaleco antibalas: muy flexible cuando mueves el cuerpo, pero muy rígido y casi sólido cuando una bala o algo parecido intenta penetrar en él a gran velocidad.

  • Los fluidos tixotrópicos disminuyen su viscosidad aparente con el tiempo. Si los remueves, por ejemplo, al principio son muy viscosos pero si los mantienes en movimiento van volviéndose más y más fluidos. Si luego se dejan en reposo de nuevo, su viscosidad va aumentando hasta volver a su valor inicial. Un ejemplo típico de este comportamiento es el yogur.

Algunos fluidos no newtonianos presentan simplemente una leve desviación respecto al comportamiento “obediente”, pero otros se desvían muchísimo del comportamiento newtoniano. Aquí tienes un vídeo en el que se ve cómo el almidón de maíz disuelto en agua (recuerda, un dilatante) permite incluso caminar –o más bien correr– sobre él sin hundirse:

Ideas clave

Los conceptos centrales de este capítulo son los siguientes:

  • La dinámica de fluidos estudia el comportamiento de los fluidos que no están en equilibrio.

  • La viscosidad es la resistencia que ofrece un fluido al desplazamiento de unas de sus capas sobre otras.

  • Cuanto mayor es la viscosidad más se propaga el movimiento de una parte del fluido al resto, y viceversa.

  • Un fluido es móvil cuando tiene menor viscosidad que el agua, y viscoso si tiene mayor viscosidad que el agua. Si la viscosidad es casi nula se trata de un súperfluido.

  • En los fluidos no newtonianos la resistencia al desplazamiento no es proporcional a la velocidad de unas capas sobre otras, sino que depende de algún otro factor.

  • Los tres tipos más importantes de fluidos no newtonianos son los pseudoplásticos (menos viscosidad aparente cuanto más violento el movimiento), dilatantes (más viscosidad aparente cuanto más violento es el movimiento) y tixotrópicos (menos viscosidad aparente cuanto más dura el movimiento).

Hasta la próxima…

Hoy nos despedimos con un experimento que no pretende iluminar ningún concepto pero que es una herramienta estupenda para hacer que un niño o adolescente –o un adulto con corazón de niño– se interese por aprender más sobre la mecánica de fluidos. A menudo pasa esto: los casos “normales” no son muy sorprendentes, pero al exponer a alguien a un caso muy anómalo se despierta su curiosidad por aprender sobre el asunto. Además es muy fácil encontrar los ingredientes.

Experimento 4 - Fluido no newtoniano

Material necesario: Un recipiente, almidón de maíz, agua, una cuchara.

El objetivo es preparar un fluido no newtoniano fácil de obtener y luego, básicamente, jugar con él. Para ello basta con disolver almidón de maíz –en España es muy común encontrarlo en las tiendas bajo la marca Maicena– en agua poco a poco. Empieza con un poquito del almidón y un buen chorro de agua, revuelve hasta que se disuelva y obtendrás un líquido blanquecino.

A partir de ahí debes ir añadiendo almidon de maíz poco a poco mientras revuelves, para evitar que se formen grumos. Poco a poco el líquido blanquecino se irá espesando hasta convertirse, llegado cierto punto, en una papilla espesa. Ahí ya deberían notarse claramente los efectos no newtonianos: intenta mover la cuchara violentamente y te costará muchísimo, pero si lo haces poco a poco no habrá apenas resistencia. Estás notando ya el carácter dilatante del fluido – la viscosidad aparente aumenta mucho con la violencia del movimiento.

¿Qué hacer entonces? Básicamente lo que te apetezca: cuanto más brusca la interacción con el líquido, más se parecerá a un sólido y viceversa. Puedes darle golpes, tirarle cosas, tirar una gota contra una pared… si hay un niño contigo seguro que no hay falta de ideas para comprobar el carácter no newtoniano de la disolución.

Ciencia, Física, Mecánica de fluidos

15 comentarios

De: Mecánica de fluidos I Viscosidad | pocket2mail
2013-08-15 17:57:15

[...] via Pocket http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/ [...]


De: Lolo Gramos
2013-08-15 22:01:33

¿qué puedo decir? Me ha encantado. Gracias.


De: Fernando
2013-08-17 04:24:52

genial como siempre, esta es de las ramas de la física/quimica que mas experimentos divertidos da y mas cuando lo haces parecer todo tan sencillo!


De: Mecánica de fluidos I Viscosidad | pocket2mail
2013-08-18 14:37:04

[...] via Pocket http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/ [...]


De: Argus
2013-08-19 08:57:21

Si hubiese sido así la primera clase que recibí sobre dinámica de fluidos, a buen seguro no habría sido la pesadilla que fue. Era el caballo de batalla de todos nosotros, tremenda asignatura tristemente famosa y la culpa, en parte, la tuvo no haber tenido claras las bases desde el primer día con una introducción cualitativa como esta. A partir de aquí y sabiendo de qué estamos hablando y cómo lo tratamos, que te echen fórmulas!

Hoy, después de leer el artículo, un poco he hecho las paces con la dinámica de fluidos. Gracias.


De: Daniel López
2013-08-19 20:59:30

Un par de errores: blqoue en vez de bloque y "un fluido muy viscoso no transmite mucho la velocidad entre capas", sin duda te refieres a un fluido poco viscoso.
Muy interesante e instructivo, como todo lo que leo aquí :-)


De: Marcelo García
2013-08-19 23:28:06

Excelente entrada. Eché de menos, aunque puede que me esté adelantando, unos párrafos al flujo laminar y flujo turbulento. Tus descripciones por capas se refiere al laminar. También he leído y mantenido en mi retina por lustros que el vidrio es un "líquido que fluye muy lentamente y por eso las catedrales tienen sus vitrales muy delgados arriba y más gruesos abajo". En mi lectura a favor de esta teoría se indica que es un líquido subenfriado, pero en la literatura en contra indica que es un mito y que no fluye, que es un defecto de fabricación del vitral. Pedro, con tu pedagogía de siempre, ¿puedes aclarar este dilema?


De: Jesús Lara Tirado
2013-08-23 07:05:25

"... y las capas contiguas notarán muy poco arrastre por parte de la capa central, de modo que", "... las capas contiguas sufrirán un gran arrastre por parte de la central y se moverán casi a su misma velocidad."

Aquí creo que te referías al perfil de velocidad en un flujo laminar a través de un tubo, al mencionar esa "parte central" del fluido, creo que iría mejor "la capa forzada" o algo así.

Bueno, un detallillo de poca importancia, además de las erratas ya mencionadas. Pero en general, como siempre, muy buen artículo, :D ojalá hubiese leído esto antes de mis clases de fenómenos de transporte. Saludos Pedro.


De: Jesús Lara Tirado
2013-08-24 10:09:53

Hola, creo que también hay un error en

"Cuanto menor es la viscosidad más se propaga el movimiento de una parte del fluido al resto, y viceversa."

creo que eso sucede cuanto mayor es la viscosidad.

Saludos ;)


De: Pedro
2013-08-24 19:05:39

Erratas corregidas, merci bien :)


De: Ejemplos de textos científicos - Cómo Hacer Un Ensayo Bien
2013-08-25 17:53:11

[...] http://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/ Artículos RelacionadosEjemplos de textos literariosMapa mentalEjemplo de informeEjemplo de carta formalEjemplos de cartas informalesEjemplo de tesis archivado en:Ejemplos [...]


De: Juan
2013-08-29 18:00:39

Me parece m


De: Luis
2013-09-03 13:54:46

Maravilloso artículo, muchas gracias y enhorabuena.


De: reyes
2013-10-15 13:38

está genial

De: KSFSKDFKD
2013-10-20 06:32

DEJEN DE HABALR TANTA MIERDA Y VAYAN AL GRANO, ESCRIBEN 15 PARRAFOS PARA DEFINIR UNA SOLO COSA EN UN REGLONNN

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