Viscosimetros

Historia de los Viscosimetros. Fluidos Reologicos. Normas SAE.

1. 1

Viscosímetro de Tambor
Rotatorio
HISTORIA DE LOS VISCOSÍMETROS

Todo comenzó cuando se creó el concepto de Fluido Ideal
1
, con este alboroto Isaac Newton
2

ideó una forma de clasificar los fluidos ideales y los fluidos que no son ideales. Para poder
hacer esta división realizó, lo que hoy se le conoce como LA LEY DE LA VISCOSIDAD DE
NEWTON, afirma que dada una rapidez de deformación en el fluido, el esfuerzo cortante es
directamente proporcional a la viscosidad, en ella incluyó diferentes cualidades que debe
tener un fluido ideal (fluido newtoniano) y las que debe tener un fluido no ideal (fluidos no
newtoniano). Como bien se sabe ningún fluido ideal, ya que todos los fluidos reales tienen
viscosidad, algunos fluidos que tienen una viscosidad muy baja se les puede llegar a
considerar como fluidos newtonianos; es aquí en donde entra el papel de los viscosímetros,
que son instrumentos que se utilizan para conocer la viscosidad dinámica o cinemática de
cualquier fluido real, utilizando diferentes métodos de trabajo cada uno de ellos, además, de
utilizar diferentes unidades de mediciones como el poise
3
, el stoke
4
, Pa(s) y el grado SAE
5
.
La ATSM Internacional produce estándares para medir y reportar mediciones de
viscosidad. También a los viscosímetros se les conoce como reómetros.
Los primeros reómetros como los Viscosímetros de Tambor Rotatorio fueron
desarrollados por Couette
6
en 1890, un viscosímetro con unos cilindros unilaterales, que
utiliza el concepto de viscosidad dinámica en su
funcionamiento. Mediante el uso de esta sencilla ecuación:

Se hace girar el tambor exterior a una velocidad
angular constante, mientras que el tambor interior se
mantiene estacionario. Por consiguiente, el fluido que está en
contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad lineal, v,
conocida, mientras tanto el fluido que está en contacto con el
tambor interior tiene una velocidad cero. Debido a la
viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre
la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo de
un torque cuya magnitud puede medirse con un torquímetro
sensible. La magnitud de dicho torque es una medida de la tensión de corte del fluido.

1
Fluido Ideal.- es aquel en el cual no existe fricción entre sus partículas, osea que la viscosidad (=0).
2
Sir Isaac Newton (1642-1727) Físico, Matemático y Astrónomo Inglés Creador de las 3 leyes del movimiento y la
Ley de la Gravitación Universal entre sus principales aportaciones.
3
Poise: en honor a Jean Louis Marie Poiseuille.
4
Stoke: en honor a George Gabriel Stokes.
5
Grado SAE: nombre dado por la Society Automotors Engineers (SAE), apartir de 100°C derivado del centistoke.
6
Maurice Couette (1858-1943) Físico francés reconocido por su trabajo en la mecánica de fluidos.

2. 2

Viscosímetro de Vidrio
Capilar Estándar
Baño que guarda viscosímetros
capilares de vidrio estándar
De este aparato se deriva el
viscosímetro de Stabinger que
funciona mediante la creación de un
campo magnético, utilizando imanes,
haciendo de este un método
novedoso.
Hablando de los verdaderos inicios de los viscosímetros
tenemos el Viscosímetro de Tubo Capilar inventado por Pouseuille
7

en 1828 como tiene como fundamento de funcionalidad la Ley de
Poiseuille que ayuda a determinar mediante el uso de un tubo
cilíndrico fino y un par de manómetros, la viscosidad y la velocidad
de los flujos capilares.

A posteriori los Viscosímetros de
Vidrio Capilar Estándar o
Viscosímetros de Ostwald. Fueron
inventados en 1918 por Friedrich
W. Ostwald
8
, para medir la
viscosidad cinemática de líquidos
transparentes y opacos.
Al preparar la prueba de
viscosidad, el tubo del
viscosímetro se carga con una cantidad específica del fluido
de prueba.
Después de estabilizar la temperatura de prueba, se
aplica una succión para hacer pasar el fluido por el bulbo,
ligeramente por arriba de la marca superior del tiempo. Se
suspende la succión y se permite que el fluido circule por
gravedad. La sección de trabajo del tubo es la capilar por
debajo de la marca inferior del tiempo. La viscosidad
cinemática se calcula con la multiplicación del tiempo del
flujo por la constante de calibración de viscosímetro.


7
Jean L. Marie Poiseuille (1799-1864) Físico y fisiólogo francés. Inventó un viscosímetro y fue el primero (1828)
en utilizar el manómetro de mercurio para medir la presión arterial.
8
Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) Químico y filósofo alemán, ganador del premio Nobel de Química en
1909.
Viscosímetro de Tubo
Capilar

3. 3

Viscosímetro de Bola que
cae o de Höppler
Característica de la bola de acero
Viscosímetro de Saybolt Universal
En el año de 1933 Fritz
Höppler crea lo que hoy se le
conoce como viscosímetro de
bola que cae o viscosímetro de
Höppler utilizando el principio
de la velocidad terminal. Hace
que una bola esférica caiga a
través de un fluido y se mida el
tiempo que requiere para
recorrer una distancia
conocida. Así es posible
calcular la velocidad.
Para tomar el tiempo de
descenso de la bola es
necesario que el fluido sea
transparente, para así poder
observarlo y llevar a cabo el
registro. La esfera está hecha de acero inoxidable, una
aleación de Níquel, Hierro y Vidrio.
En la actualidad el viscosímetro de Saybolt universal
es uno de los más confiables debido a su excelente
precisión, pero los antecedentes de este maravilloso
invento, datan de finales del siglo XIX, en 1885 el Químico
Inglés George M. Saybolt desarrolló un sistema para
obtener la viscosidad de un líquido, la cual se obtiene
midiendo el tiempo en segundos que tarda en escurrir, a
través de un orificio calibrado.

LÍNEA DEL TIEMPO

4. 4

ANEXO: VISCOSÍMETROS DISCONTINUOS Y CONTINUOS

Viscosímetros discontinuos que se basan en:
a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un
orificio. El orificio puede
sustituirse por un tubo
capilar.
b) Tiempo de caída de una
bola metálica o de ascensión
de una burbuja de aire en el
seno del fluido contenido en
un tubo o bien de caída de
un pistón en un cilindro.
c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa que gira a velocidad
constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al
elemento fijo.
Entre los viscosímetros continuos que permiten el control de la viscosidad se
encuentran los siguientes:
1. Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal
constante. Dos tomas situadas antes y después del tubo capilar se conectan a un transmisor
de presión diferencial neumático o electrónico.
2. Par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El elemento de forma
dada gira a través de un resorte calibrado por medio de un motor síncrono. El ángulo de
desviación en el movimiento entre el
eje del motor y el elemento inmerso en
el fluido es proporcional a la viscosidad.
Este ángulo se mide en desplazamiento
de contactos o en variación de
resistencia o capacidad.
3. Rotámetro con flotador sensible a la
viscosidad. Se mantiene un caudal
constante del fluido con lo que la
posición del flotador depende de la
viscosidad. Al rotámetro se le puede
acoplar un transmisor neumático o
electrónico.
4. Vibraciones o ultrasonidos. Se mide la energía necesaria para excitar una probeta en
vibración continua o que vibra ultrasónicamente en el seno del fluido.

5. 5



¿CÓMO CONVERTIR DE GRADOS SAE A LAS UNIDADES DEL SISTEMA
INTERNACIONAL?

En el año 1898 se creó la ASTM
9
, en ese momento comenzaron a tener sentido ciertas cosas y
además comenzaba la época de la revolución tecnológica del siglo XX. La ASTM creo en los
años cuarentas, durante la época de la segunda guerra mundial, un sistema al que le
denominó grado SAE en el cual clasificaban los aceites para autos según su viscosidad en un
principio, después de un tiempo también comenzaron a clasificarlos conforme a sus
propiedades físicas y químicas; esto porque en algún tiempo exactamente entre los años
1923 y 1930 Henry Ford
10
que se hizo cargo de la normalización de una gran cantidad de
materiales.
El grado SAE es como ya se dijo una forma de clasificar y medir la viscosidad, potencia
y resistencia de un aceite lubricante. Los aceites con el sufijo W se basan en la viscosidad
dinámica máxima a temperaturas frías, como el SAE 40W, sin embargo, los aceites sin el sufijo
W tienden a usarse para temperaturas elevadas, como el SAE 40; para los aceites que cuentan
con ambos denominaciones como el SAE 40W- 10, indica que este aceite se va a utilizar tanto
para temperaturas bajas como altas.
Para convertir de grado SAE al Sistema Internacional es muy simple, las tablas de
algunos aceites lubricantes para motores o engranes vienen dadas en centipoises para la
viscosidad dinámica y en centistokes para la viscosidad cinemática solo es cuestión de hacer
la clásica y muy conocida conversión de unidades, por ejemplo, 1 centipoise es igual a 1
milipascal por segundo, y un 1 centistoke es igual a 1 milímetro cuadrado por segundo.










9
ASTM: siglas de la American Society for Testing and Materials.
10
Henry Ford (1863-1947) Creador del primer automóvil con motor y además fundador de la Ford general
motors.

6. 6


Grados SAE en aceites para motor

Temperatura Baja
(Viscosidad Dinámica)
Temperatura Alta
(Viscosidad cinemática) a
100°C en mm
2
/s


Grado SAE
Condición
Cigüeñal en
mPa(s)
Condición
Bombeo en
mPa(s)
Máx. Mín.
Temperatura Alta, tasa cortante
elevada a 150°C en mPa
Mín.
0W 6200 a -35 60000 a -40 3.8 --- ---
10W 7000 a -25 60000 a -30 4.1 --- ---
15W 7000 a -20 60000 a -25 5.6 --- ---
20W 9500 a -15 60000 a -20 5.6 --- ---
25W 13000 a -10 60000 a -15 9.3 --- ---
20 --- --- 5.6 9.3 2.6
30 --- --- 9.3 12.5 2.9
40 --- --- 12.5 16.3 2.9
50 --- --- 16.3 21.9 3.7
60 --- --- 21.9 26.1 3.7

Grados SAE para lubricantes de engranes
Grado SAE
Tmáx para Viscosidad
Dinámica de 15000mPa(s)
en (°C)
Viscosidad Cinemática a 100°C en mm
2
/s
Máx. Mín.
70W -55 4.1 ---
75W -40 4.1 ---
80W -26 7.0 ---
85W -12 11.0 ---
80 --- 7.0 11.0
85 --- 11.0 13.5
90 --- 13.5 24.0
140 --- 24.0 41.0
250 --- 41.0 ---

7. 7

FLUIDOS REOLÓGICOS


Fluidos Newtonianos: Son aquellos fluidos que son casi ideales, porque en sí ningún fluido es
ideal, y que cumplen medianamente con la Ley de la Viscosidad de Newton. Ejemplos:
Agua
Glicerina
Gasolina

Fluidos Plásticos o de Bingham
11
: También se les llama fluidos de inserción y requieren la
aplicación de un esfuerzo cortante alto antes de que comience el flujo. Ejemplos:
Asfalto
Pintura
Grasas

Fluidos Pseudoplásticos o Tixotrópicos: Tienen una viscosidad ligeramente elevada y además
conforme aumenta la velocidad va fluyendo poco a poco más rápido. Ejemplos:
Polietileno fundido
Látex
Cintas Adhesivas


11
E. C. Bingham (1922) Fluidity and Plasticity McGraw-Hill
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Fluidos Newtonianos
Fluido Plástico
Fluido Pseudoplástico
Fluido Dilatante
Sólido Rígido
Fluido Ideal
Fluido Plástico Ideal

Velocidad de δ Esfuerzo de Cedencia

8. 8

Fluidos Plásticos Ideales: Ningún fluido plástico es ideal, en la gráfica se muestra que este de
fluido debe pasar por un ligero esfuerzo de cedencia antes de iniciar con el flujo.

Sólidos Rígidos: Son sólidos como cualquier otro, en la gráfica bien se observa que en los
sólidos rígidos no hay ninguna clase de flujo. Ejemplos:
Madera
Concreto
Acero

Fluidos Ideales o Fluidos Sin Viscosidad: Los fluidos ideales según suponía Sir Isaac Newton
son aquellos líquidos que no presentan ningún tipo de esfuerzo cortante, en la gráfica se
observa cómo no necesita nada moverse fluye y fluye libremente.

Fluidos Dilatantes: Su curva comienza con una ligera pendiente, pero la velocidad hace que el
esfuerzo cortante y la fluidez vayan paulatinamente aumentando. Ejemplos:
Etilenglicol (C2H6O2)
Dióxido de Titanio (TiO2)
Almidón de Agua (CH2O)

9. 9

BIBLIOGRAFÍA
 www.google.com.mx
 http://molten.latinclicks.info/newton_viscosidad.html
 http://www.biografiasyvidas.com/monografia
 http://www.educacionenergetica.org/web/docs/recursos/efemerides_abril.pdf
 http://www.construsur.com.ar/News-sid-128-file-article-pageid-3.html
 http://www.scielo.org.ve/img/fbpe/rlmm/v23n1/art02fig5.jpg
 http://grupos.emagister.com/documento/historia_astm/6470-251874
 Libro: Mecánica de Fluidos
o Autor: Robert L. Mott
o Edición: 6ta. Edición
o Editorial: Pearson Prentice Hall
 Libro: Termodinámica
o Autores: Yunus A. Cengel y Michael A. Boles
o Edición: 6ta. Edición
o Editorial: Mc Graw Hill
 Libro: Instrumentación Industrial
o Autor: Antonio Creus Solé
o Edición: 6ta. Edición
o Editorial: Alfa Omega