5.2 Ley de Newton de la viscosidad.
IsaacNewtondefinióalaviscosidadconsiderandoelmodelo
representadoenlafigura1.Dosplacasparalelasseparadasporuna
distancia“y”,yconelespacioentreellasllenodefluido,unade
ellasfijaylaotramóvil.Laplacafijasinmovimientoseencuentra
encontactoconelfluido,porlotantotienenunavelocidadigual,en
cambiolaplacasuperiorsemueveaunavelocidadconstante“V”al
actuarsobreellaunafuerza“F”tambiénconstante.
FIGURA 1 Planos paralelos de un fluido.
Newtonasumióquelafuerzarequeridaparamantenerestádiferenciaen
velocidaderaproporcionalaladiferenciaenvelocidadatravésdel
líquido,oel“gradientedevelocidad”.Paraexpresaresto,Newtonescribió:
Al coeficiente μ se le conoce como viscosidad dinámica o absoluta del fluido y tiene
por unidades:
Setratadeunapropiedadmuyimportanteeningenieríayaqueligaelmovimiento
delfluidoconelefectoqueestetienesobrelasuperficieporlaquetrascurreo
baña.Esdecir,nospermitirácalcularlosesfuerzosqueelfluidoproducirásobrela
fronteraqueloconfina.
Laviscosidadsecomportadeformamuy
diferenteengasesyenlíquidosenfunción
delasvariacionesdepresióny
temperaturaalaquesometaelfluido.
Laviscosidadesbásicamentefunciónde
dosparámetros,lapresiónyla
temperatura:
μ = μ (T,P)
Pinfluyepoco,tansoloenvariaciones
muygrandesdelapresióntienequeser
considerada.Enlosgasestienemucha
masinfluenciaqueenloslíquidos.
T tiene mucha influencia:
Gases: T ↑ → μ ↑
Líquidos: T ↑ → μ ↓
Variación de la viscosidad dinámica con la
temperatura, del aire y del agua.
Influencia de la temperatura
sobre la viscosidad en los gases.
5.3 Unidades de la viscosidad
Enlaprácticaexisteunconjuntodepropiedadesqueserepitecon
frecuencia,laviscosidaddinámicaoabsolutapartidaporladensidad.A
esteconjuntoselesuelellamarviscosidadcinemática.Elnombre
cinemáticanohadeinduciraerror,yaquenotieneningúnsentidofísico,
sólovieneimpuestoporlasimilitudenlasunidadesconlavelocidad.
5.3.2Viscosidad cinematica
Es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, ésta
suele denotarse como υ.
Enlasiguientetablasepresentanlasunidadesdeviscosidad
cinemáticaenlostressistemasutilizadosconfrecuencia.
Otras Unidades de la Viscosidad:
Unaformaprácticayrápidademedirla
viscosidadescomparándolaconotrofluidode
referencia.Esdecir,buscarmásqueunamedida
directa,queseríamáscomplicado,unamedida
indirecta,quemidalarelaciónconunpatrón,
normalmenteagua.
TodosmidenVISCOSIDADCINEMÁTICA.
•SegundosSaybolt(SSU):Tiempoensegundos
quetardaenllenarseunrecipientenormalizado
de60ml.Tantoeldepósitodesdedondefluyeel
fluidocomoeldiámetroygeometríadelmismo
estánnormalizados.
•Segundos Redwood: Tiene un significado
análogo al anterior.
Viscosimetro Engler
5.4 Clasificación de los fluidos según su viscosidad:
Existeunaprimeraclasificaciónmuyútilquediferenciaalosfluidosen
NewtonianosynoNewtonianos.LosprimerossiguenlaleydeNewton,enlaque
laviscosidadsólodependedelatemperaturaylapresión,yportantoelgradiente
develocidadestieneuncomportamientocompletamentelineal,mientrasquelos
segundosnolasiguen,ysucomportamientodistabastantedeserlineal.
5.5 Viscometro
Unviscómetro(denominadotambiénviscosímetro)esuninstrumento
paramedirlaviscosidadyalgunosotrosparámetrosdeunfluido.Fue
IsaacNewtonelprimeroensugerirunafórmulaparamedirla
viscosidaddelosfluidos.En1884Poiseuillemejorólatécnica
estudiandoelmovimientodelíquidosentuberías.
5.6 Tipos de viscosimetros
Los Tipos de viscosímetros más comunes se detallan en el siguiente
cuadro:
5.6.1.2 Viscosímetro de Ubbelohde
Ésteviscosímetroseutilizaparadeterminarviscosidades
cinemáticasdelíquidosNewtonianostransparentesyde
lubricantehidráulicos.
Llamadotambiénelviscosímetrodenivelsuspendido,elcual
eliminaelefectodetensiónsuperficialalasalidadeltubo
capilar.Además,ésteinstrumento,conpreviacalibraciónpuede
utilizarseparamedirenformadirectayprecisalaviscosidadde
líquidosmediantelamedicióndeltiempodeemanacióndel
líquidoenelviscosímetro,esdecir,eltiempoenqueun
volumendadodellíquidofluyeatravésdelcapilar.
Éstos tipos de viscosímetros obedecen la ley de Hagen-Poiseuille; el funcionamiento
es similar al viscosímetro de Ostwald, la ecuación que permite calcular la viscosidad
cinemática es:
u= Kt
u= viscosidad cinematica (m
2
/s)
K=constante del viscosimetro
t=tiempo en q el fluido cae de la marca superior a la inferior (s).
V=volumen del liquido q fluye (m
3
)
h=altura de la columna (m)
L=longitud de capilar (m)
5.6.2 VISCOSIMETROS ROTACIONALES
5.6.2.1 Viscosímetro de Stomer
Enesteequiposedeterminanviscosidades
demuestrasatemperaturaambiente,ya
quecarecendebañocalefactor.Éste
viscosímetroconstadedoscilindros
concéntricossiendoelinteriormóvilyel
exteriorfijo,colocándoseelfluidocuya
viscosidadsequieredeterminarenel
espaciocomprendidoentreestos.
Elcilindrointeriorsepuedehacergirarpormediodeunhiloenrolladoenlapolea
superioryencuyoextremollevaunpeso.Sepuedededucirque,paraésteequipo,
laviscosidadseexpresaenfuncióndelparnecesarioparahacergirarelcilindro
interiora ,rps(revolucionesporsegundo)apartirdelasiguientefórmula:
Donde:
Pn: Par necesario, [N* m]
L: Longitud del cilindro interior, [m]
: Velocidad angular, [rpm]
r
1: Radio del cilindro interior, [m]
r
2: Radio del cilindro exterior, [m]
5.6.2.2 Viscosímetro de cono-placa
Elviscosímetrodecono-placanopresentauna
distribucióncomplejadefatigadecizallay
velocidaddedeformaciónencizallatalcomola
tienenelviscosímetrodecilindroscoaxiales.
Aunavelocidadangulardada,lavelocidad
tangencialdelcomponentematrizaumenta
linealmenteconelradio,yestodependedel
espacioquehayentreelconoylaplaca.
Lavelocidaddedeformaciónencizallaylafatiga
decizallasonuniformesentodoelfluidopara
ángulospequeñosqueseanmenoresde32°yno
seríanecesariohacercorreccionesparalos
fluidosno–newtonianos.
M: Torque, [N* m]
Rc : Radio del cono, [m]
Ω: Velocidad angular o de rotación, [rps]
β : Ángulo entre el cono y la placa, [°]
5.6.2.3 Viscosímetro de cilindros concentricos o de Coutte
Esteequiposeempleaparamedir
viscosidadesabsolutas.Consisteendos
cilindrosconcéntricos,uncilindrointeriory
otroexterior,elcilindroexterioreshuecoy
elinteriormacizo;elinteriorpermanecefijo
mientrasqueelexteriorselohacegirara
velocidadangular(Ω)constante.Entrelos
doscilindrosexisteunespacioenelcualse
colocaelmaterialdelcualsequieremedir
suviscosidad.Elcilindrointeriorsesuspende
deunresorteohilo,calibradosatorsión.
Donde:
Mt: Momento de torsión, [N/m2].
r: radio del cilindro interno, (d = 2r), [m]
L: Altura de inmersión del cilindro que se desliza
en el medio líquido, [m]
Ω: Número de revoluciones por minuto (r.p.m.).
R: Radio delcilindro exterior (D = 2R); [m]
5.6.4 VISCOSIMETRO DE HOPPLER
Cuandouncuerpocaeenunfluidobajolasolainfluenciadelagravedad,seacelera
hastaquelafuerzaquelojalahaciaabajo(supeso)quedabalanceadaporlafuerzade
flotaciónylafuerzadearrastreviscosoqueactúanhaciaarriba.Lavelocidadque
adquiereenesemomentoseconocecomovelocidadterminal.Ésteviscosímetroutiliza
elprincipiodequeunabolaesféricacaigalibrementeatravésdelfluidoymidiendoel
tiemporequeridoparaqueéstarecorraunadistanciaconocida.
5.6.4.1 Viscosímetro de caidade bola
ÉsteequiposeutilizaparadeterminarlasviscosidadesdefluidosNewtonianos
ygases(conunabolaespecialparagases),entresusaplicacionesfiguranla
investigación,elcontroldeprocesosyelcontroldecalidad.Constadeun
simpletubodevidrio,dediámetropequeñoconunángulode180°,quese
rellenaconellíquidoproblemayporélseintroduceunaesferasólidade
diámetromenorparacalcularlaviscosidaddelfluido.Ésteviscosímetro
determinalaviscosidaddelíquidosmidiendoeltiempodecaídadeunaesfera
sólidanecesitapararecorrerunadistanciaentredospuntosdereferencia
dentrodeltubodevidrioinclinadoconmuestra.
Elfuncionamientoeselsiguiente:primeramente
sellenalasustanciaquevaaserestudiadaenel
tubodecaídadelviscosímetro,enelcuallabola
debecaerunadistanciacalibradade100mm.A
partirdeltiempodecaídatrespectivamentese
obtienelaviscosidaddinámica(μ)dellíquido
segúnlaecuacióndeStokes:
Donde:
ρ
s : Densidad de la esfera, (Kg/m3).
ρ
L : Densidad del líquido, (Kg/m3).
r : Radio de la esfera, [m].
V : Velocidad límite alcanzada por la esfera, (m/s).
µ : Viscosidad absoluta del fluido, [Pa*s].]*[
)(
9
2
2
sPa
V
g
r
Ls
Estaecuaciónesválidasiempreycuandolaesferacaigaenrégimenlaminary
eldiámetrodeéstaseapequeñocomparadoconeldiámetrodeltubo.Se
consideraqueelrégimeneslaminarcuandoelnúmerodeReynoldsdefinido
por:Re=ρ
Lv
1d/μseamenora0,1.
Faxenmodificaelresultadoobtenidomediantelaexpresiónanteriorpara
tenerencuentalosefectosperturbadoresquepuedatenerlapareddeltubo
delasiguientemanera:
El factor de Faxen(F) está dado por:
Donde:
μ
s: Viscosidad según Stokes
μ
F : Viscosidad corregida según Faxen
Donde:
d: Diámetro de la esfera.
D: Diámetro del tubo capilar.53
905.009.2104.21
D
d
D
d
D
d
F
5.7 INDICE DE VISCOSIDAD (IV)
Esunapropiedadfisicadeunlubricante.Esunnúmeroempíricoqueindicaelgrado
decambiodelaviscosidadcinemáticadeunlubricanteconlatemperatura,omejor
dichoelgradoqueelaceiteresistealadelgazamientoconunaumentodela
temperatura.Unaceitedemotormultigradoresisteeladelgazamientomejorqueun
aceitemonogradodemotor,cuandolatemperaturaseincrementa.
Grado de viscosidad SAE (Society of Automovile Engineers).
Losaceiteslubricantesparavehículossonfrecuentementeclasificadosdeacuerdo
aunaseriedenúmerosllamadosSAE,organizaciónconstituidaenlosEstados
Unidos,unadecuyasfinalidadeseraintroducirunanomenclaturaSTANDARD
mundialparaclasificacióndeaceitesdemotor.LaSociedaddeIngenieros
AutomotricesdeEE.UU.(SAE)clasificóalosaceitessegúnsuviscosidadadoptando
comotemperaturadereferencia100gradoscentígradosymanteniendola
viscosidadenCentistoke(cSt).Loslubricantesentranbásicamenteendos
categoríascomoseilustraenlasiguientetabla:losmonogradosylosmultigrados.
Grado de viscosidad SAE de aceites para motor.
EstaclasificaciónnotuvoencuentaqueunaceiteSAE20encondicionesdebaja
temperaturaaumentabaconsiderablementesuviscosidadnosiendoaptoparauna
operacióncorrectaenclimasfríos.SurgenasílosaceitestipoW(Winter:invierno)que
cubriríanestadeficiencia.SeamplióentonceslaclasificaciónincorporandolosgradosSAE
5W,SAE10W,SAE20Walosyaexistentes,comoseilustraenlaTabla.Enlasiguiente
figurasetienevaloresdeviscosidadesdeunaceitedegradoSAEadiferentes
temperaturas.
Figura. Viscosidad dinámica de diferentes aceites SAE a diferencias temperaturas.
Aceitesmultigrados.
Loslubricantesquepuedenmantenersurendimientoentemperaturasaltasybajasse
llamanmultigrados.Sedefinencondosnúmeros:Elprimero(seguidoporunaW)
indicalaviscosidaddellubricanteabajastemperaturas,mientrasqueelsegundo
númeroindicalaviscosidaddellubricanteaaltastemperaturas.Unaceitemultigrado
reducealmínimolasdiferenciasdeviscosidadcuandohayvariacionesdetemperatura.
Deestamaneraseobtienenaceitesdenominados
multigradosgeneralmentedesignados:SAE10W-
30,SAE85W-40,SAE5W–30,etc.Enlasiguiente
figuraseilustravariostiposaceitesmultigradosa
diferentestemperaturas.
Lasventajasdeusaraceitesmultigradosson:
·Facilidaddearranqueenfrío.
·Rápidaentradaenrégimentérmicodelmotor.
· Ahorro de baterías y sistemas de arranque.
·Adecuadaviscosidadentodoelrangode
temperatura.
Figura Viscosidad dinámica de
varios aceites multigrados.