Non newtonian
26 Mar, 2011
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PDFFluids
PRESENTATIONS: When the viscosity of a fluid does not have a defined and constant value it is said that it is non-newtonian. Viscosity increases or diminishes, for instance, with the duration of the force or shear applied, giving rise to strange behaviours.
- Learning About Non-Newtonian Fluids in a Student-Driven Classroom, D. R. Dounas-Frazer, J. Lynn, A. M. Zaniewski, and N. Roth, Phys. Teach. 51, 32 (2013)
17 responses to "Non newtonian"
Un fluido no newtoniano es aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano, como el agua o el aire. Un ejemplo barato y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse fácilmente añadiendo almidón de maíz en una taza de agua. Cuando la concentración es critica, al aplicar una fuerza con una cucharilla, el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Además, se investiga con ellos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad.
Algunas de las propiedades de los fluidos no newtonianos pueden observarse en el siguiente vídeo. Donde explican de forma visual tres de las extrañas propiedades que poseen, el efecto Barus, que provoca que el chorro de salida del líquido sea más ancho que la propia salida del recipiente, el efecto Wissenberg, que hace que el líquido ascienda por una varilla si lo giramos dentro de la preparación, y el efecto Kaye que provoca que al verterlo, el chorro de caída se divida en varias partes y comience un raro baile.
Dada la peculiaridad de las propiedades de los fluidos no newtonianos, éstos tienen multitud de usos en la sociedad actual, si bien cabe destacar su empleo en el campo de la medicina (puesto que la sangre en su conjunto es un fluido no newtoniano), en ingeniería civil, en la industria deportiva… En este último campo se está trabajando para desarrollar nuevos materiales que ofrezcan al deportista las mejores prestaciones. Los materiales no newtonianos están irrumpiendo en la escena deportiva con mucha fuerza debido a la comercialización de calzado e indumentaria deportiva que reduce la tensión de impacto sobre todo en deportes como automovilismo, paracaidismo, atletismo, snowboard, motociclismo, Ski… Para estos deportes se está diseñando calzado con sistemas de absorción de impactos fundamentado en fluidos no newtonianos, lo cual mejora su desempeño en tracción, agarre y soporte. Esto se consigue colocando piezas de materiales basados en fluidos no newtonianos en talón y antepié o en toda la entresuela, ya que ofrecen un componente de absorción muy alto y dotan al calzado de mayor resiliencia y rigidez. Así, para mejorar la amortiguación de la pisada, se incorporan geles a la suela basados en fluidos no newtonianos, los cuales aportan la dureza y estabilidad que el cuerpo requiera: pisando suave es agradable y amortiguado, y pisando fuerte se convierte en un fluido más duro y estable. Se pueden conseguir además materiales transpirables en este campo.
También hay estudios recientes referentes a la fabricación de zapatos compuestos por la unión de materiales newtonianos y no newtonianos, proporcionando una respuesta dinámica a diferentes fuerzas de impacto para contribuir a una mayor potencia de impulso, por ejemplo al golpear un balón…
Se puede leer un resumen en los siguientes enlaces: enlace 1, enlace 2.
A nivel de Educación Secundaria, se puede realizar un sencillo experimento sobre fluidos no newtonianos con elementos tan simples como maicena (harina fina de maíz) y agua. Al mezclar maicena con agua se genera un fluido llamado “no newtoniano”, es decir, que no tiene una viscosidad definida. Es por esto que, cuando se le aplica mucha presión, el fluido se comporta como un sólido, mientras que, si se le aplica poca, lo hace como un líquido. Se puede consultar más información en este pdf o en esta página.
Los fluidos no newtonianos son aquellos que no poseen un valor de viscosidad constante. Un buen ejemplo de un fluido no newtoniano es el de la sangre, ya que la viscosidad de esta se ve afectada por la velocidad con la que circula por los vasos sanguíneos, concretamente, cuando la velocidad de la sangre aumenta, la viscosidad disminuye y cuando la velocidad disminuye, la viscosidad aumenta.
A pesar de lo que se cree habitualmente, las propiedades de la maizena no se deben a su comportamiento como fluido no newtoniano, sino a su compresibilidad. En esta pagina podéis ver un articulo con referencias a bibliografía científica sobre el tema.
Es una buena forma motivar al alumnado en 10 minutos que es lo que se tarda en hacer la mezcla y con algo menos de 5 euros que es el coste total del experimento. Además de la sangre como bien se mencionó antes, la pasta de dientes se suma a la larga lista de este tipo de fluidos que los alumnos desconocen que poseen en sus vidas.
Experiencia alucinante y motivadora muy asequible para hacer con los alumnos. Las aplicaciones para parar impactos tanto en deportes, como en chalecos antibalas o en automovilismo parecen también tremendamente interesantes para comentar a los alumnos.
Una experiencia sencilla, impactante (nunca mejor dicho) y muy fácil de llevar a cabo con los alumnos. En nuestra vida cotidiana nos encontramos con muchos fluidos no newtonianos: algunos jabones y pasta de dientes, queso, mermelada, ketchup, mayonesa, sopa, caramelo masticable, yogur; sustancias naturales como el magma, la lava o el lodo; fluidos biológicos como la sangre, la saliva, la mucosa, el líquido sinovial o el semen…
Además, las aplicaciones que parecen estar tratando de implementarse para la reducción de impactos en deportes, automovilismo, chalecos antibalas, etc; son también muy interesantes para comentar a los alumnos.
Me parece una experiencia muy divertida para hacer con niños pequeños y que aprendan jugando. Entre las numerosas aplicaciones que tienen me parece muy interesante su aplicación en tejidos de protección como chalecos antibalas o protecciones de deportes de riesgo, ya que el fluido no newtoniano es capaz de endurecerse y amortiguar un impacto fuerte como el de una bala.
En relación con algunos comentarios anteriores, en los que se destaca la aplicación de los fluidos no newtonianos en chalecos antibalas, os comparto una curiosa patente de una armadura de cuerpo completo para uso policial o militar empleando fluidos no newtonianos. Gracias a las propiedades del fluido no newtoniano, se evita la rigidez de otros diseños para que dicha armadura no limite la movilidad del usuario.
Estaría muy bien poder hacer estos experimentos a gran escala, ya que los fluidos no newtonianos permiten reproducir el efecto de “caminar sobre el agua”. Si llenamos una balsa o piscina con uno de estos fluidos, al caminar sobre él pisando fuertemente su viscosidad aumenta y se comportan de manera similar a un sólido. Si en cambio nos quedamos parados, su viscosidad disminuye y actúan como un líquido, como se ve en este vídeo.
Sin duda la logística sería un poco complicada, pero si se lograse montar sería una experiencia inolvidable para los alumnos.
Cuando pienso en un fluido no newtoniano, me viene a la cabeza la imagen de Pablo Motos corriendo sobre una piscina de agua con maicena y hace poco supimos que ese vídeo fue utilizado por un profesor de la Universidad de Harvard para explicar que un líquido puede comportarse como un sólido. Una forma divertida de captar la atención de los alumnos para explicar este fenómeno, aunque un estudio reciente, señale que este comportamiento de la maicena, se debe a la compresibilidad y no al comportamiento como fluido no newtoniano, tal como señala Miguel(2017) en su comentario. En este mismo artículo, se menciona una innovación en la fabricación de badenes empleando un fluido no newtoniano, se trataría de un badén «inteligente» de velocidad (BIV), que es liviano para el conductor que respeta el límite de velocidad, pero que se endurece a velocidades excesivas.
Una forma muy simple de mostrar al alumnado el comportamiento de los fluidos No Newtonianos, es mediante la realización de estos 2 pequeños y fáciles experimentos que aparecen en este documento, Utiliza gel de bentonita (fluido pseudoplástico) y agua y maicena para obtener un fluido dilatante. Se estima un tiempo de realización para cada uno de 5 minutos.
Creo que es un experimento que va a dar mucho que pensar a los alumnos, ya que se sale de lo que ellos pueden pensar que va a pasar.
El flubber es un ejemplo de este tipo de fluido muy fácil de fabricar. Flubber es una película disparatada con Robin Williams de 1997, pero también es una manualidad increíblemente pegajosa. Además es muy sencillo de preparar, solo necesitas:
1/4 taza de agua tibia,
1 taza de cualquier pegamento blanco,
2 cucharadas soperas de bórax,
Colorante para alimentos (opcional),
Experimento más que interesante para realizar en una clase de Educación Secundaria, ya que la manipulación de estos fluidos puede resultar motivo de divertimento para el alumnado. Eso sí, me quedaría solamente con el concepto y obviaría las expresiones matemáticas que modelizan estos comportamientos, puesto que no me parecen lo suficientemente triviales como para introducirlas en este nivel.