Ley de la viscosidad de Newton: ecuación fundamental y explicación

Ley de viscosidad de Newton

Las capas del fluido próximas a una placa sólida fija tienen velocidades más lentas que las alejadas debido a los procesos disipativos que se generan. Parte de la energía cinética que poseen las capas se transforma en calor. Vamos a representar el comportamiento de un fluido, que se encuentra contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas, de área A, que están separadas entre sí por una distancia pequeña “y” y si es muy pequeña “dy”. Supongamos que inicialmente el sistema se encuentra en reposo, t= 0, pero luego la lámina superior se pone en movimiento en dirección del eje X, con una velocidad constante v.

Para muchos fluidos se ha determinado en forma experimental que la fuerza tangencial “F” (Newton) aplicada una placa de área “A” (m2) es directamente proporcional a la velocidad “v” (m/seg) e inversamente proporcional a la distancia “y” (m); que en forma diferencial se expresa:

t= F/A = µ (dv/dy)

El esfuerzo cortante es: F/A= t (Newton/m2)

El término (dv/dy) se denomina diferencial de velocidad de corte o de cizallamiento respecto al diferencial del espesor del fluido. En forma general se puede expresar: v/y.

El factor de proporcionalidad es la viscosidad absoluta: µ. Algunas veces la denominan viscosidad dinámica.

Los fluidos que cumplen la expresión anterior se denominan Newtonianos. Para los fluidos Newtonianos la viscosidad permanece constante a pesar de los cambios en el esfuerzo cortante. Esto no implica que la viscosidad no varíe sino que la viscosidad depende de otros parámetros como la temperatura, la presión y la composición del fluido. Para los fluidos no newtonianos, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de cizalla no es constante, por lo tanto la viscosidad (μ) no es constante.

Unidades principales de la viscosidad

De aquí surge la definición: la viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. Dicho de otra manera, más genérica: la viscosidad es la propiedad de un fluido por la que se opone a deformarse o es la resistencia de un fluido a las deformaciones tangenciales y la oposición se debe a las fuerzas de cohesión moleculares.

La viscosidad absoluta o dinámica (µ) tiene como unidades: 

Newton x seg/m² (Sist. Internacional)  y también: dina x seg/cm² = Poise (Sist. Cegesimal).

Se usa mucho la viscosidad cinemática (φ) que es la relación entre la viscosidad absoluta (μ) y la densidad (ρ). Se calcula mediante la relación: φ= µ /ρ.

Las unidades de viscosidad cinemática son:

m²/seg (Sist. Internacional) y también  cm²/seg = stoke = st (Sist. Cegesimal).

En este último sistema se emplea el centistocke o cst:

1 stoke = 100 centistokes = 100 cst.

1 cst= 100 cm2/seg = 1mm2/seg.

Otras unidades de la viscosidad

En la práctica existen otros métodos empíricos para medir la viscosidad y vamos a tratar los más conocidos.

A.-Viscosidad en Segundos Saybolt Universal (SSU):  Es el tiempo que tardan 60 cm³ de un aceite en discurrir por un pequeño tubo capilar calibrado de un viscosímetro Saybolt Universal a una temperatura especificada, según lo indicado por el método de ensayo ASTM D 88. Para fluidos de alta viscosidad se usan los Segundos Saybolt Furol (SSF).

Los equipos de ensayo y pruebas utilizados para ambos casos, difieren únicamente en los diámetros de los orificios calibrados de escurrimiento, siendo para Saybolt Universalun tubo vertical de 0.483± 0.004 pulgadas de longitud y 0.0695 ± 0.0006 pulgadas de diámetro (aprox. 1.765mm ± 0,015mm de diámetro), y para el Saybolt Furol un tubo vertical de 0.483± 0.004 pulgadas de longitud y 0.1240 ± 0.0008 pulgadas de diámetro (aprox. 3.15mm ± 0,020 mm de diámetro).

 B.-Viscosidad en Grados Engler (°E): Al dividir el tiempo en el que discurren 200 cm³ de aceite a 20°C = 68°F, entre el tiempo empleado en discurrir 200 cm³ de agua a 20°C = 68°F, da como resultado los grados Engler. Se pueden usar otras temperaturas de prueba pero deben indicarse al dar los resultados de las pruebas. Se usa un aparato parecido al viscosímetro Saybolt.

°E= tiempo para evacuar 200 cm³ de aceite / tiempo para evacuar 200 cm³ de agua.

C.- Viscosidad en Grados Redwood (GR): Al dividir el tiempo en el que discurren 50 cm³ de aceite, entre el tiempo empleado en discurrir 50 cm³ de agua, se obtienen los grados Redwood. Se usa un aparato diferente a los anteriores. Se usan 70°F, 100°F, 140°F, 200°F como valores de referencia en las pruebas.

GR = tiempo para evacuar 50 cm³ de aceite / tiempo para evacuar 50 cm³ de agua.

El cualquier compresor la viscosidad correcta del aceite empleado es vital. Una viscosidad demasiado baja provocará desgaste por falta de “colchón hidrodinámico” o explicado de otra forma: el aceite se escurrirá y no creará una película o “colchón” entre piezas. Por el contrario, si la viscosidad es demasiado elevada el consumo de energía será superior, amén de provocar desgaste al no fluir el aceite con suficiente soltura por las cavidades. Es por este motivo que hay que respetar siempre y en todo momento las especificaciones marcadas por cada fabricante para sus distintos tipos de compresores.