“UNIVERSIDAD CATÓLICA LOS ÁNGELES DE CHIMBOTE” FACULTAD DE INGENIERÍA “ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL” ASIGNATURA: MECÁNICA DE FLUIDOS PROYECTO: “VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS Y SU CLASIFICACIÓN” DOCENTE TUTOR: Ing. Mgtr. SAUL HEYSEN LAZARO DIAZ ESTUDIANTES: PAUCAR QUISPE JUAN CARLOS LLERENA QUISPE ENRIQUE ABELARDO CONTRERAS MEZALAYA ROBER ARANGO NAJARRO JACK MARTIN GONZALES CARDENAS WILBER AYACUCHO-PUCALLPA-PERU 2022 VISCOSIDAD EN LOS FLUIDOS Y SU CLASIFICACIÓN El concepto de viscosidad nació con Newton, cuando en su obra "Philosophiae Naturalis. Principia Matematica" afirmó que la resistencia ejercida, y que surge a partir de una falta en el deslizamiento de un fluido, si el resto de factores se mantienen, es proporcional a la velocidad a la que las partes de un fluido son separadas entre sí. De este modo, se establece la proporcionalidad existente entre el esfuerzo por unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un fluido, siendo la constante de proporcionalidad un factor que describe "la capacidad de deslizamiento de un fluido" (más tarde esta constante de proporcionalidad fue llamada viscosidad). La hipótesis propuesta por Newton se suele representar con un esquema como el de la Figura 2.1, en el que se muestra dos superficies de superficie A, separadas por una distancia Y, estando una de ellas sometida a una fuerza F que le provoca una velocidad V. Al mismo tiempo, se suele describir matemáticamente los principios establecidos por Newton a partir de una expresión matemática como la ecuación 2.1: Dónde:50 Hay que decir que, dependiendo del libro consultado, y del significado de "esfuerzo por unidad de área", es posible encontrar expresiones alternativas, todas ellas válidas en el contexto adecuado: La viscosidad de un fluido Newtoniano se suele representar con la letra griega μ, pero para fluidos no Newtonianos la viscosidad aparente se suele representar entonces con la letra griega η. Cuando hablamos de viscosidad nos referimos a una propiedad de los fluidos equivalente al concepto de espesor, es decir, a la resistencia que tienen ciertas sustancias para fluir y para sufrir deformaciones graduales producto de tensiones cortantes o tensiones de tracción. Todos los fluidos poseen viscosidad debido a las colisiones entre sus partículas, que se mueven a diferentes velocidades. Así, cuando el fluido es obligado a moverse, dichas partículas generan resistencia de fricción, retardando o impidiendo el desplazamiento. Los únicos fluidos que no tienen viscosidad son los fluidos ideales o superfluidos, que son fluidos en los que la fricción es nula, es decir, que pueden fluir interminablemente. Por lo tanto, un fluido con una altísima viscosidad estará muy cerca de ser un sólido, ya que sus partículas se atraen con una fuerza tal que impiden el movimiento de las capas superiores. La viscosidad depende, además, de la naturaleza del fluido, y puede medirse empleando un viscosímetro o un reómetro. Existen varios tipos de viscosidad: la dinámica, que se representa con la letra 𝛍, y la cinemática, que se representa con la letra 𝛎. Por otra parte, también se puede hablar de viscosidad extensional y aparente. VISCOSIDAD DINÁMICA Y CINEMÁTICA La viscosidad también recibe el nombre de viscosidad dinámica, porque se entiende como la relación entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad, que se representa con la letra griega µ. La viscosidad dinámica también es conocida por el nombre viscosidad absoluta. Se caracteriza por la resistencia interna que se forma entre las moléculas de un fluido, a fin de mantenerse unidas y no dispersase, lo que afecta su flujo y determina su viscosidad. Otro tipo de viscosidad es la viscosidad cinemática, que se calcula dividiendo la viscosidad dinámica por la densidad de fluido a fin obtener las fuerzas que generan el movimiento. Se calcula a través del cociente de la viscosidad dinámica por la densidad de la sustancia, y su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg). UNIDAD DE VISCOSIDAD Según el Sistema Cegesimal de Unidades, la unidad de viscosidad es el poise (P), nombre en honor al fisiólogo francés Jean-Louis-Marie Poiseuille. También, se suele utilizar el centipoise (cP). En relación a lo anterior, 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) . A su vez, 1 centipoise es igual a un minipascal de segundo. La unidad de la viscosidad dinámica se denomina pascal-segundo, de acuerdo al Sistema de Unidades. Por su parte, la viscosidad cinemática ( [nu] ), se obtiene a través del cociente de la viscosidad dinámica por la densidad de la sustancia, y su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg). 1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS Los fluidos son sustancias que no tienen dureza y son capaces de fluir o derramarse expeditamente por un cuerpo. Su clasificación dependerá de sus propiedades. a) FLUIDOS IDEALES Este es un flujo escaso de viscosidad. Es totalmente inconcebible para la naturaleza, por lo tanto, no existe ningún fluido de este tipo. Este concepto solo se usa para fines teóricos y de estudio. Digamos que es como los números imaginarios en los cálculos. b) FLUIDOS REALES Poseen muy poca viscosidad, y no son imaginarios como los fluidos ideales, la verdad es que, si se pueden manifestar en la naturaleza, por eso son -reales-. En este sentido el agua es una muestra de ello. c) FLUIDOS NEWTONIANOS Estos fluidos se llaman así porque acatan la ley de la viscosidad de Isaac Newton. La ley de Newton dice que la tensión de cizallamiento es directamente proporcional a la deformación por esfuerzo cortante. Para los fluidos newtonianos la viscosidad dependerá fielmente de la temperatura y la presión del fluido. La viscosidad es la oposición al flujo de los fluidos. Estos vienen siendo fluidos reales. Por ende, el agua del mismo modo lo colocamos de modelo para este tipo de líquido; o sea, que el agua obedece a la ley de la viscosidad. d) FLUIDOS NO NEWTONIANOS No hay que tener mucha creatividad para saber que, a diferencia de los fluidos newtonianos, estos no obedecen a la ley de viscosidad de Newton. Cualesquiera de estos pueden ser geles, cremas, sustancias espesas, o fluidos biológicos. Se pueden subdividir en tres grupos los cuales son: FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS 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. 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. PRACTICA Dos placas paralelas planas cuadradas con dimensiones de 60cm x 60cm. La película de aceite con espesor de 12,5 mm existe entre las dos placas, la placa superior que se mueve a 2,5 m/s requiere una fuerza de 9.81 N para mantener la velocidad y la placa inferior es estacionaria. Determinar la viscosidad dinámica del aceite en Poise y la viscosidad cinemática del aceite en Stokes si la gravedad específica del aceite es 0,95. 1 Paso: Obtención de Datos del problema 2 Paso: Diagrama del sistema. 3 Paso: Análisis preliminar. Para obtener la viscosidad dinámica se emplea la ecuación 1, para esto, primero se debe analizar el perfil de viscosidad que se genera al mover la placa superior a una cierta velocidad, así de esta manera se puede obtener la relación entre la variación de velocidad del aceite y su espesor. Luego se calcula el esfuerzo cortante generado por la fuerza aplicada y con esto ya se puede determinar la viscosidad dinámica. 4 Paso: Procedimiento. Para la viscosidad dinámica: Para la viscosidad dinámica: Se parte de la ecuación 1 que se muestra a continuación. Del perfil de viscosidades se obtiene: Ahora para el esfuerzo cortante se tiene: Finalmente, reemplazando estos valores en la ecuación 1 se tiene lo siguiente: Pero nos piden la viscosidad en términos de Poise, por lo cual se tiene que: Entonces, aplicando los factores de conversión se tiene: Por lo tanto, la viscosidad de nuestro aceite es de Para la Viscosidad Cinemática Se parte de la ecuación 2 que se muestra a continuación. Entonces, para poder hacer uso de esta expresión se necesita conocer la densidad del aceite, para esto se hace uso de la ecuación 3 que se muestra a continuación. De donde: Finalmente, reemplazando los datos en la ecuación 2 se tiene: Bibliografía 1 El Tamiz, [Mecánica de fluidos I] Viscosidad. [Online].; 2013 [cited 2013 Octubre 15. Available . from: https://eltamiz.com/2013/08/15/mecanica-de-fluidos-i-viscosidad/. 2 Carballo CAJ. Instituto Tecnológico de Costa Rica, MECÁNICA DE FLUIDOS: VISCOSIDAD Y . TURBULENCIA. [Online].; 2022 [cited 2022 Julio 29. Available from: https://repositoriotec.tec.ac.cr/bitstream/handle/2238/10194/Din%C3%A1mica%20de%20fluid os%20viscosos.pdf?sequence=1&isAllowed=y. 3 Ernesto Sanguinetti. CALOR Y FRIO, Ley de la viscosidad de Newton: ecuación fundamental y . explicación. [Online].; 2020 [cited 2020 Julio 7. Available from: https://www.caloryfrio.com/calefaccion/calefaccion-instalaciones-componentes/ley-de-laviscosidad-de-newton-ecuacion-fundamental-y-explicacion.html.
