Fluidos no newtonianos, desvelando el fascinante mundo de la materia en movimiento

Introducción

Los fluidos no newtonianos son una clase cautivadora de líquidos que muestran un comportamiento de flujo único, desafiando la comprensión tradicional de la dinámica de fluidos. A diferencia de los fluidos newtonianos, que siguen una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte, los fluidos no newtonianos presentan características de flujo complejas y a menudo impredecibles. El objetivo de este artículo es explorar las intrigantes propiedades de los fluidos no newtonianos, arrojando luz sobre sus aplicaciones y los principios científicos que rigen su comportamiento.^1,2,3

Entender los fluidos no newtonianos

Los fluidos no newtonianos abarcan una amplia gama de sustancias, incluyendo geles, pastas, suspensiones y más. Estos fluidos muestran propiedades viscoelásticas, lo que significa que su viscosidad y elasticidad pueden variar con los cambios en la velocidad de cizallamiento o la tensión. Este comportamiento se debe a la presencia de macromoléculas, partículas u otros elementos estructurales en el fluido.¹

Clasificación de los fluidos no newtonianos

Los fluidos no newtonianos pueden clasificarse a su vez en varios subgrupos en función de su comportamiento bajo esfuerzos cortantes. Algunos tipos comunes de fluidos no newtonianos incluyen fluidos dilatantes, fluidos pseudoplásticos y fluidos tixotrópicos.

• Los fluidos dilatantes, como una mezcla de almidón de maíz y agua, se vuelven más espesos y viscosos cuando se someten a un esfuerzo cortante. Este comportamiento se conoce comúnmente como espesamiento por cizallamiento.¹
• Los fluidos pseudoplásticos, como el ketchup o la pintura, muestran una disminución de la viscosidad a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. Estos fluidos fluyen más fácilmente bajo tensión, pero su viscosidad se recupera cuando se elimina la tensión.²
• Los fluidos tixotrópicos, como ciertas pinturas y lodos de perforación, experimentan una disminución de la viscosidad dependiente del tiempo cuando se someten a una tensión constante. Con el tiempo, la estructura del fluido se reorganiza, lo que se traduce en una menor resistencia al flujo.³

Aplicaciones de los fluidos no newtonianos

Las propiedades únicas de los fluidos no newtonianos encuentran aplicación en diversas industrias, que van desde la alimentaria y la cosmética hasta la farmacéutica y la ingeniería.

1. Industria alimentaria: Los fluidos no newtonianos desempeñan un papel importante en la fabricación y el procesamiento de alimentos. Por ejemplo, el comportamiento espesante de los fluidos no newtonianos se utiliza en la producción de salsas, emulsiones y aderezos. Además, el comportamiento pseudoplástico de algunos fluidos ayuda a verter y extender fácilmente productos como el ketchup y la mayonesa.^1,2
2. Cosméticos y cuidado personal: Muchos productos de cuidado personal, como champús, lociones y cremas, contienen fluidos no newtonianos. El comportamiento pseudoplástico de estos fluidos garantiza una fácil aplicación y esparcibilidad, proporcionando una agradable experiencia al usuario.²
3. Productos farmacéuticos: Los fluidos no newtonianos encuentran aplicación en sistemas de administración de fármacos, especialmente en formulaciones orales y tópicas. La liberación controlada de fármacos puede lograrse utilizando el comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento de dichos fluidos.³

Principios científicos que rigen el comportamiento de los fluidos no newtonianos

El comportamiento de los fluidos no newtonianos puede comprenderse utilizando conceptos de la reología, el estudio del flujo de la materia. Los modelos reológicos, como el modelo de la ley de potencia y el modelo de Herschel-Bulkley, proporcionan descripciones matemáticas del comportamiento del flujo no newtoniano.

Según el modelo de ley de potencia, la relación entre el esfuerzo cortante (τ) y la velocidad de cizallamiento (γ) puede expresarse como τ = Kγⁿ, donde K es el índice de consistencia y n es el índice de comportamiento del flujo. Este modelo se utiliza a menudo para describir fluidos pseudoplásticos.¹

El modelo de Herschel-Bulkley amplía el modelo de ley de potencias incorporando el límite elástico (τ₀), que es la tensión mínima necesaria para que el fluido fluya. El esfuerzo cortante en este modelo puede expresarse como τ = τ₀ + Kγⁿ. Este modelo se utiliza comúnmente para describir fluidos tixotrópicos y dilatantes.²

Conclusión

Los fluidos no newtonianos siguen cautivando a investigadores e ingenieros por sus intrigantes propiedades y sus versátiles aplicaciones. Al desafiar la comprensión convencional de la dinámica de fluidos, estos fluidos ofrecen oportunidades para la innovación y el avance en diversas industrias. La comprensión de los principios científicos que rigen su comportamiento nos permite aprovechar sus propiedades únicas y desarrollar soluciones novedosas para los retos del mundo real.^1,2,3

Referencias

1. Barnes, H. A. (1999). A Handbook of Elementary Rheology (Manual de reología elemental). University of Wales Institute of Non-Newtonian Fluid Mechanics.

2. Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. (1987). Volume 1: Fluid Mechanics. Dinámica de los líquidos poliméricos. Wiley-Interscience.

3. Dealy, J. M., Wissbrun, K. F. (1999). Melt Rheology and its Role in Plastics Processing: Theory and Applications. Springer Science & Business Media.