¿Cómo funciona el esfuerzo cortante en fluidos?

Pero, el esfuerzo cortante puede aplicarse en cualquier tipo de material, incluso en fluidos, que es el campo que nos concierne de primera mano. Gracias a los trabajos y estudios que realizó Newton y que dan como resultado la Ley de la viscosidad, que se puede representar con los siguientes elementos de una ecuación: cortante con una ecuación:

• µ: se trata de la viscosidad
• du/dy: corresponde a la velocidad de corte.

El esfuerzo cortante de un fluido puede ser definido como la cantidad de fuerza aplicada a un fluido de forma paralela a un elemento muy pequeño de la superficie. Para un cálculo mucho más atinado, los elementos deben ser infinitesimales, es decir que los valores sean muy pequeños. Una vez dicho esto, es necesario recordar que la fuente más grande de esfuerzo cortante en un fluido es la viscosidad creada por los roces entre las capas del fluido.

¿Cómo funciona el esfuerzo cortante en fluidos?

El esfuerzo cortante en fluidos es un efecto de la interacción de las capas de éste, a diferentes velocidades. A grandes rasgos, será el resultado de la suma de las fuerzas tangenciales en cada capa del fluido y también, se le conoce como fuerza de deformación o de cizallamiento.

En función de comprender mejor este efecto entre los fluidos, vamos a revisar qué es la viscosidad.

Viscosidad

Un concepto básico para comprender la fuerza cortante es el de la viscosidad, ya que lo abordaremos continuamente al hablar de temas relacionados con la mecánica de los fluidos y cómo reaccionan distintas fuerzas según la viscosidad.

Comprendemos a la viscosidad como la fricción interna, o resistencia al flujo del fluido. Todos los fluidos reales poseen esta característica causada por la fricción entre las moléculas del fluido. Sabemos que, en los líquidos, la viscosidad se produce por la resistencia a fuerzas de corto alcance, mientras que en los gases se debe a choques que ocurren entre las moléculas.

En el siguiente gráfico podemos ejemplificar algunos de uso cotidiano según la interacción de sus moléculas por fuerzas de enlace:

Los fluidos con más viscosidad, como la miel, son bastante densos y lentos en comparación de otros como el agua. Es posible notar como se deforma una cucharada de miel al ejercer presión sobre ella, pero es imposible notar a simple vista la deformación del aire.

Lo anterior está sumamente relacionado con el estrés causado por el esfuerzo cortante, ya que éste ocurre cuando las capas de los fluidos se encuentran entre sí o bien, están en contacto con una pared sólida, cambiando su trayectoria.

La viscosidad suele representarse con ayuda de capas que conforman la viscosidad del líquido; las capas del fluido más cercanas a las paredes de un sólido tienen velocidades más lentas, que aquellas que están alejadas. Los efectos o reacciones que tiene la viscosidad dependerán del tipo de paredes o capas sólidas con las que entran en contacto.

La diversidad de efectos que puede tener la fuerza cortante se debe a la viscosidad, la temperatura y otras características. Sin embargo, la variación de la viscosidad, es la que indica la división en dos categorías de los fluidos: newtonianos y no newtonianos.

Fluidos newtonianos

Con los fluidos newtonianos, la relación entre fuerza y velocidad de desplazamiento lineal es directamente proporcional a la rapidez de deformación. Un ejemplo de este tipo de fluidos es el agua o algunos tipos de aceite.

Pero además de la anterior característica, es importante recuperar la Ley de la viscosidad de Newton; de la cual hablamos en anteriores párrafos. De acuerdo con ella, los fluidos newtonianos, a diferencia de los no-newtonianos, permanecen constantes a pesar del esfuerzo cortante.

Para terminar con los fluidos newtonianos; son los que cumplen con viscosidad absoluta y su consistencia es constante, incluso con los cambios que puede provocar el esfuerzo cortante.

En la realidad, no hay fluidos completamente newtonianos, siempre hay variaciones que tienen en cuenta otros factores, además de la ley. Simplemente, el cambio es tan poco notorio que los clasificamos de esa manera.

Fluidos no newtonianos

Se les dice fluidos no newtonianos a los que no cumplen con la ley de la viscosidad de Newton y en lo que el efecto que tiene el esfuerzo cortante consiste en cambiar la viscosidad existente. También, se entiende que, al aplicar fuerza de corte, su efecto no es proporcional a la deformación que sufre el material. Uno de los ejemplos que ayudan a mostrar esta reacción es la pasta de dientes.

La pasta de dientes es un ejemplo de fluido no newtoniano, de tipo Bingham, reaccionando como un cuerpo rígido frente a tensiones menores y, por el contrario, bajo tensiones mayores, fluye al contacto. Esta cualidad ayuda a que podamos manipularla para extraerla del tubo y colocarla en un cepillo sin que caiga.

En la siguiente imagen podemos ver representados a los fluidos no newtonianos conforme a la variación de la viscosidad y a su comportamiento al entrar en contacto con el esfuerzo cortante:

Pseudoplásticos: presenta una disminución de la viscosidad con el aumento de la relación de deformación, cambia de forma cuando se le aplica una fuerza mayor a cero y gran cantidad de los fluidos no newtonianos son de este tipo. Algunos ejemplos son el alginato dental, soluciones poliméricas o suspensiones, como medicamentos.

Dilatante: existe de un aumento de la viscosidad gracias al incremento de la relación de deformación; el cambio de forma se presenta cuando hay una fuerza aplicada menor a cero. También se le conoce como espesamiento por cizallamiento y su comportamiento se puede ver en suspensiones o materiales que no son puros. Ejemplos de este tipo de fluidos son la masa de levadura, almidón o suspensiones de arena.

Bigham: también son fluidos conocidos como ideales y se comportan como un sólido con el mínimo esfuerzo de deformación y como un fluido, a mayor presión. Algunos ejemplos de este tipo de fluidos son las suspensiones de arcilla, la pasta de dientes o la mayonesa.

Es importante saber qué tipo de fluido tenemos al elegir un sistema de agitación o de contención, así como su comportamiento. En estos casos, nos podemos apoyar con una tabla de registros, según tasa de corte, gráficas de comportamientos, entre otros materiales.

Además, se requieren considerar otros aspectos relacionados con la mecánica del fluido, entre otros. Para realizar esta tarea puedes contar con los especialistas de Autmix Flow que te orientarán para encontrar el equipo ideal para tus proyectos.

Algunos equipos y móviles que se caracterizan por crear un efecto de esfuerzo cortante y que puedes encontrar en Autmix Flow:

Rotor-estator RE(S): este es un equipo que pertenece a los agitadores industriales de gran capacidad, cuyo diseño combina alto grado de cizalladura y gran potencia para brindar buenos resultados en procesos de homogeneización, emulsión y tratamiento de fluidos de diversas viscosidades.

Disco Cowles: este es un móvil que aprovecha la fuerza cortante con ayuda de un disco dentado que, rota a una alta velocidad, y tiene mejor control de fluidos con viscosidad variable.

Perfil Gamma: se trata de una hélice que, gracias a su diseño, aporta alta cizalladura y capacidad de trabajar con poca potencia. Se puede aplicar en fluidos pseudoplásticos, conocidos por su viscosidad variable y alta.

Relación del esfuerzo cortante con los fluidos según el comportamiento de su movimiento

Además de revisar el efecto del esfuerzo cortante en fluidos newtonianos y no-newtonianos, hay que considerar el comportamiento que tienen según su movimiento. A esta clasificación o régimen se le divide en flujo laminar y flujo turbulento.

Flujo laminar

En el caso de los flujos laminares dentro de un tubo, las partículas viajan en capas paralelas con velocidades diferentes. El esfuerzo cortante hace que las capas del fluido se muevan con una rapidez menor cerca de las paredes de un tubo, en comparación a las que están próximas al centro, debido a la fricción.

Cuando un fluido viscoso se mueve dentro de un tubo, la velocidad es distinta aún dentro de una misma sección transversal.

Esto se representa con ayuda de la siguiente ecuación:

Donde los valores son los siguientes:

• V: volumen del líquido
• t: tiempo
• v: velocidad media del flujo
• r: radio
• Δp: caída de presión entre los dos extremos
• μ: viscosidad dinámica
• L: longitud característica

Otra ley a tener en cuenta durante el estudio o el trabajo con fluidos laminares es la de Stokes, la cual nos ayuda a entender la dinámica de un fluido newtoniano alrededor de una esfera. Este dispositivo recibirá una fuerza de resistencia por parte del fluido. Esta ley puede expresarse de la siguiente forma:

Para ejemplificar mejor a un fluido laminar, podemos imaginar el flujo de varias personas a diferentes velocidades al pasar por una calle angosta. Si mantienen el orden y van en una misma dirección, no importará que sus velocidades sean distintas, porque no habrá caos.

Fluidos turbulentos

Los fluidos turbulentos se conocen de esta manera porque se dan de forma caótica y es posible conocer su trayectoria hasta cierta escala. El esfuerzo cortante en este tipo de fluidos se genera en todas direcciones, lo que es importante en procesos de transferencia de energía y materiales del fluido.

Gracias al coeficiente o número de Reynolds que relaciona la densidad, velocidad, dimensión típica y viscosidad de un fluido para saber si un flujo es laminar o turbulento. De acuerdo con experimentos que se desarrollan para conocer la trayectoria del fluido, cuando el número de Reynolds es 2000 o menor, se considera a un fluido como laminar y si el coeficiente es elevado a 2000, su dinámica es turbulenta.

Retomando el ejemplo de una calle angosta y concurrida, el fluido turbulento equivaldría a varias personas caminando de forma caótica y chocando entre ellas.

¿Por qué hemos revisado todo esto?

La razón de que conozcas de forma amplia el estrés causado por la fuerza cortante en líquidos como los no newtonianos, newtonianos. Por otro lado, conocer el comportamiento del movimiento en fluidos laminares o turbulentos también es una característica para elegir la mejor forma de trabajar con ellos. Por ejemplo, si estás en proceso de elección de bombas, válvulas o bien, agitadores, necesitas conocer todos estos factores.

Existe una gran variedad de materiales y de componentes o equipos que pueden ser la mejor solución a las necesidades de cada proyecto. En Autmix los especialistas en procesos industriales cuentan con amplia experiencia en el campo y puedes agendar una consulta para obtener mayor información sobre los equipos y componentes que estás buscando.