Arrastre viscoso y viscosidad: definición y ejemplos

Fluir

Todo el mundo ha visto fluir fluidos. Desde verter un vaso de agua hasta ver el jarabe de arce deslizarse hacia el borde de una pila de panqueques. En comparación con el agua, ¿qué tan rápido se mueve el jarabe de arce? Si respondió, «más lentamente», está en lo cierto porque el jarabe es más espeso que el agua. Por lo tanto, podemos decir que el jarabe de arce es más vicioso que el agua. La viscosidad es la resistencia intrínseca de un fluido a fluir bajo una fuerza aplicada. Repasemos una explicación más técnica del arrastre viscoso y la viscosidad.

Fórmula de Newton para la viscosidad

Volvamos de nuevo al jarabe de arce y finjamos que lo estamos congelando en finas losas que se apilan una encima de la otra. El diagrama 1 muestra estas capas y una fuerza, F, aplicada a la losa superior de almíbar congelado.

Diagrama 1. Fuerza aplicada F empujando la capa superior.

Dado que la fuerza aplicada actúa sobre la capa superior, esperaríamos que la capa superior fuera empujada hacia afuera, ¿verdad? La fricción entre la capa superior y la segunda capa arrastraría la segunda capa. Esto continuará hacia abajo a través de las capas de losas y cada una hacia la parte inferior se moverá menos que la capa superior. El diagrama 2 muestra este efecto en acción.

Diagrama 2. Cada capa sucesiva se mueve menos en comparación con la capa superior.

La ecuación de Newton para la viscosidad relaciona esta fuerza aplicada, el área de la superficie de las losas, qué tan rápido se mueven las losas en respuesta a la fuerza aplicada y otro factor: el coeficiente de viscosidad, η. La ecuación se escribe como:

F = -ηA (dv / dx) donde

• F es la fuerza en newtons (N)
• η es el coeficiente de viscosidad en segundos netos por metro cuadrado (N⋅s / m 2 )
• A es la superficie en metros cuadrados (m 2 )
• dv / dx es la velocidad instantánea del fluido con respecto al espesor de las capas en metros por segundo por metro (m / s / m)

El signo negativo es asumir que la fuerza aplicada está en la dirección positiva, lo que hace que la viscosidad se arrastre en la dirección opuesta. El coeficiente de viscosidad es diferente para cada fluido. La Tabla 1 muestra el coeficiente de viscosidades para varios materiales.

Podemos ver en la Tabla 1 que cuanto más grueso es el material, mayor es el coeficiente de viscosidad. Para todos los líquidos excepto el agua, el coeficiente de viscosidad aumenta al aumentar la presión. Disminuye al aumentar la presión del agua. Los gases también se consideran fluidos, pero la presión no tiene ningún efecto sobre el coeficiente de viscosidad de los gases.

La temperatura también es un factor en la viscosidad de los fluidos. Con el aumento de la temperatura, las moléculas en el fluido se mueven más rápido y, por lo tanto, hacen que las moléculas no se atraigan entre sí. Imagine un grupo de personas moviéndose en un área confinada tratando de agarrarse unos a otros. Inicialmente, se mueven lentamente, por lo que es más fácil agarrarse y sostenerse. Cuanto más rápido se mueven, más difícil es agarrarse y aferrarse el uno al otro.

Básicamente, esto es lo que sucede con los líquidos. Imagine que las losas de jarabe de arce congeladas que discutimos anteriormente comienzan a descongelarse y luego se calientan después de que se han convertido en líquido. El jarabe de arce comenzará a fluir. A medida que se calienta más y más, las fuerzas cohesivas disminuyen y fluye más fácilmente.

Resumen de la lección

La viscosidad es la resistencia intrínseca de un fluido a fluir bajo una fuerza aplicada. La ecuación de Newton para la viscosidad es el producto de la fuerza aplicada sobre el fluido, el coeficiente de viscosidad del fluido, el área de la superficie del fluido y la velocidad instantánea del fluido.

El coeficiente de viscosidad dado el símbolo η y representa la facilidad con la que un objeto puede superar su fricción interna. El agua tiene un valor η muy bajo y los jarabes y aceites tienen valores η relativamente altos.

El aumento de presión sobre un fluido hace que su viscosidad aumente al aumentar la presión, excepto en el caso del agua. El coeficiente de viscosidad del agua disminuye al aumentar la presión. El coeficiente de viscosidad de los gases no se ve afectado por la presión.

La temperatura es un factor que afecta la viscosidad de los fluidos. Las moléculas se mueven más rápido al aumentar la temperatura y la atracción de las moléculas entre sí disminuye al aumentar la temperatura.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador