100835966 fluidos-newtonianos-y-no-newtonianos (1)

IV CURSO DE TITULACION A DISTANCIA INGENIERIA CIVIL
CURSO: HIDRAULICA
DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitáz Camarena
ALUMNO : Bach. Ángel Campos Gallegos
TEMA 1:
FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS
2012

VISCOSIDAD Y FLUIDOS,
NEWTONIANOS
El aceite de oliva
Hidráulica

FLUIDOS NEWTONIANOS
= COEFICIENTE DE
VISCOSIDAD ABSOLUTO
Hidráulica

DEFINICION DE VISCOSIDAD
La viscosidad es una manifestación del movimiento
molecular dentro del fluido.
Las moléculas de regiones con alta velocidad global
chocan con las moléculas que se mueven con una
velocidad global menor, y viceversa.
Estos choques permiten transportar cantidad de
movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los
movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por
la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una
función de la temperatura.
Hidráulica

REYNOLDS
El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad,
velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión
dimensional, que intervienen en numerosos problemas de
dinámica de fluidos.
Para un fluido que circula por el interior de una tubería
circular recta, el número de Reynolds viene dado por:
Re = V.D

V = Velocidad del fluido (m/s)
D = Diámetro de la tubería (m)
 = viscosidad cinemática del fluido (m2/S)
Hidráulica

DEFINICION DE FLUIDO
 Se define fluido como una sustancia que se deforma
continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte,
por tanto, en ausencia de este, no habrá deformación.
 Los fluidos pueden clasificarse de manera general de
acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte
aplicado y la relación de deformación.
Hidráulica

ECUACION DE CONTINUIDAD
Hidráulica
La Ecuación de Continuidad es una consecuencia
de principio de la conservación de la masa.
A1 V1 = A2 V2 = CTE
Q1 = Q2 = CTE
Ecuación de Energía
(Teorema de Bernoulli)
E1 = E2 = CTE …………. Flujos Ideales
P1 + V1
2 + Z1 = P2 + V2
2 + Z2
ɤ 2g ɤ 2g

ECUACION DE CONTINUIDAD
Hidráulica
Para flujo laminar se tiene
Posewille Darcy
hf = 32 Uc x L x V hf = f LV2 f = 64
g. D2 2gD Re
L = Longitud (m) D = Diámetro (m)
V = Velocidad (m/s) g = Gravedad (m/s2)
Uc = Viscosidad cinemática (m2/s) f = Coeficiente de
Darcy
hf = Pérdida de carga (m) Uab = Uc  = d. g
ɤ g

FLUIDO NEWTONIANO
 Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es
directamente proporcional a la rapidez de
deformación se denominan fluidos newtonianos.
 La mayor parte de los fluidos comunes como el
agua, el aire, y la gasolina son prácticamente
newtonianos bajo condiciones normales.
 El término no newtoniano se utiliza para clasificar
todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es
directamente proporcional a la rapidez de
deformación.
Hidráulica

 La primera relación constitutiva para un fluido
viscoso la estableció Isaac Newton en 1687 al
proponer que para estos fluidos el esfuerzo de corte
aplicado y la deformación producida son
proporcionales, es decir, a mayor esfuerzo mayor
deformación.
 La relación de Newton también puede expresarse
diciendo que el esfuerzo de corte y el cambio de la
velocidad en el fluido son proporcionales.
 A la constante de proporcionalidad se le define como
la viscosidad del fluido; por esta razón a esta
relación constitutiva lineal también se le llama ley de
la viscosidad de Newton.
Hidráulica

ECUACION DE FLUIDOS
NEWTONIANOSMatemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido
newtoniano se puede representar por la relación:
Donde:
Es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre
una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de
tensión o presión ([Pa]).
µ Es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo
de la temperatura, puede medirse en [Pa·s] o [kp·s/cm2].
Es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano
en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s−1].
Hidráulica

FLUIDOS NEWTONIANOS
Ley de Newton
dVx
 = - 
dz
flujo(N/m2)
dVx
T = .A = -  A
dz
Caudal (N)
Viscosidad cinemática o
difusividad de
cantidad de movimiento

 =

(m2/s)
d (Vx) d (Vx)
T = -A = -
dz dz/ A
Hidráulica

VISCOSIDAD Y TEMPERATURA
A medida que aumenta la temperatura de un fluido
líquido, disminuye su viscosidad.
Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente
proporcional al aumento de la temperatura.
La ecuación de Arrhenius predice de manera
aproximada la viscosidad mediante la ecuación:
Hidráulica

Viscosidad de algunos líquidos y gases
a temperatura ambiente (20ºC).
Variación de la viscosidad de
líquidos y gases con la temperatura
Hidráulica

Variación de la viscosidad cinemática y
densidad relativa de algunos líquidos
Hidráulica

VISCOSIDAD NEWTONIANO
 Si se considera la deformación de dos fluidos newtonianos
diferentes, por ejemplo, glicerina y agua, se encontrará que se
deforman con diferente rapidez para una misma fuerza cortante.
 La glicerina ofrece mucha mayor resistencia a la deformación que
el agua; se dice entonces que es mucho más viscosa.
 En la mecánica de fluidos se emplea muy frecuentemente el
cociente de la viscosidad absoluta, u, entre la densidad, p. Este
cociente recibe el nombre de viscosidad cinemática y se representa
mediante el símbolo v. Como la densidad tiene dimensiones
[M/Lt], las dimensiones que resultan para v son [L2/t]. En el
sistema métrico absoluto de unidades, la unidad para v recibe el
nombre de stoke = cm2/s).
Hidráulica

EJEMPLOS DE VISCOSIDAD
NEWTONIANOEn un liquido, las moléculas tienen una movilidad limitada
con fuerzas cohesivas grandes presentes entre moléculas.
Un aumento en la temperatura disminuye la cohesión entre
las moléculas y existe un decrecimiento en la pegajosidad del
fluido, es decir, desciende la viscosidad.
En un gas, las moléculas tienen una gran movilidad y
generalmente están apartadas, existe poca cohesión entre
ellas, a medida que aumenta la temperatura se producirá una
mayor pegajosidad y con ello mayor viscosidad.
Hidráulica

La experiencia ha demostrado que la gran variedad de líquidos y
gases newtonianos tienen una característica común, a saber, las
moléculas que los componen son ligeras, es decir, de bajo peso
molecular.
Como su nombre lo indica, el peso molecular es una medida del
peso de una molécula con respecto a un patrón de referencia, el
cual para todo propósito práctico se escoge como el peso de un
átomo de hidrógeno, y que puede tomarse como la unidad.
En consecuencia, el peso molecular de una sustancia es un
número que representa en forma aproximada, el número de
veces que el peso de la molécula en cuestión excede el peso de
un átomo de hidrógeno.
NEWTONIANO
Hidráulica

Cuando las moléculas de un fluido son muy pesadas, por ejemplo con
pesos moleculares mayores de 100 000, la ley de viscosidad de
Newton ya no describe adecuadamente el flujo de estos fluidos; las
relaciones constitutivas ya no son tan simples, pues dejan de ser
instantáneas, aunque todavía pueden ser lineales. A esta clase de
fluidos se les llama "no newtonianos".
NEWTONIANO
La característica esencial de estos sistemas es que sus moléculas
son muy pesadas, con pesos moleculares entre 100 000 y 100 000
000, por eso se les llama macromoléculas.
Los polímeros tienen gran importancia en la vida y la civilización
humanas. Todas las formas de vida dependen de materiales
poliméricos como los ácidos nucleicos, las proteínas, los
carbohidratos, etc.
Hidráulica

El proceso mediante el cual estas unidades se unen sucesiva y
repetidamente para formar cadenas largas y pesadas
(macromoléculas), se llama polimerización figura.
(a) Polimerización lineal,
(b) polimerización ramificada,
(c) polimerización del estireno.
Hidráulica

EFECTO DEL SIFÓN
Lo practicamos al beber un líquido ordinario con un popote: el liquido
fluye a través de él en tanto que uno de sus extremos esté dentro del
líquido.
Para nuestra sorpresa, si en vez de agua tenemos un fluido no
newtoniano se observa que el efecto de sifón puede ocurrir aunque el
tubo de succión no esté inmerso en él.
De modo que un fluido polimérico puede
succionarse aun y cuando existan varios
centímetros de separación entre la
superficie del fluido y el extremo del tubo.
A este efecto se le conoce como sifón sin
Tubo.
Hidráulica

Observamos que si ponemos agua en un vaso de precipitados y lo agitamos a
una velocidad moderada con un agitador cilíndrico, en la superficie del agua
alrededor del agitador se produce una depresión.
En realidad el efecto podría haberse anticipado, pues por la acción del
agitador el agua también empieza a girar y la fuerza centrifuga tiende a
desplazarla hacia las paredes del recipiente.
El resultado neto es acumular fluido en
Las paredes y producir una deficiencia
alrededor del cilindro, la cual se manifiesta
en la depresión central. Sin embargo, esta
explicación intuitiva es inválida si el fluido
es polimérico.
A este fenómeno se le conoce como EFECTO WEISSENBERG y fue
descubierto por Karl Weissenberg en Inglaterra durante la segunda Guerra
Mundial.
Hidráulica

EFECTO DE MEMORIA
Esta es una manifestación de la
memoria del fluido y en reología
se le llama efecto de memoria
desvaneciente, pues se observa que
el fluido no recupera totalmente sus
configuraciones previas, lo que
significa que la memoria se
desvanece (relaja) a medida que el tiempo transcurre.
Aquí mostramos gráficamente este efecto en la figura, donde los
perfiles con líneas oscuras representan, de forma esquemática, el
comportamiento del fluido antes de y en el momento de desconectar
la bomba.
Hidráulica

EFECTO DE HINCHAMIENTO
Otro efecto un tanto sorprendente es el comportamiento que
exhibe un fluido polimérico al emerger de un orificio.
En el caso del agua, ésta no se expande ni se contrae, pero un
líquido polimérico puede "hincharse" y aumentar su sección
transversal ¡hasta por un factor de cinco! De hecho, este efecto
podemos observarlo fácilmente al oprimir un tubo de pasta
dental.
Hidráulica

Imaginemos que llenamos con agua un tubo relativamente ancho el cual está
conectado por uno de sus extremos a otro tubo de diámetro menor, y que
dejamos que el agua fluya lentamente del primero al segundo cuando están
colocados verticalmente.
En el caso del agua no vemos otra cosa, aparte de que ésta aumenta su velocidad
al pasar al tubo más angosto.
En cambio, con el fluido polimérico observamos
que se forman pequeños vórtices (remolinos)
en la vecindad de la conexión entre ambos
tubos. Las partículas de fluido atrapadas en ellos
nunca caen al tubo menor. ¡Qué magnífico espectáculo sería contemplar una
catarata producida por un flujo polimérico!
Este efecto se muestra esquemáticamente en la figura.
EFECTOS DE VÉRTICE A LA SALIDA DE UN
RECIPIENTE
Hidráulica

NUEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORIA
Finalmente, otro efecto no menos impresionante se observa si en
un tubo de ensayo que contenga un líquido arrojamos dos
esferas, una después de la otra.
En el caso del agua observamos que la segunda siempre precede
a la primera y choca con ella. Inténtelo el lector con dos esferas
no muy pesadas.
Hidráulica

NUEVAMENTE LOS EFECTOS DE MEMORIA
Pero si ahora repetimos la experiencia con un líquido polimérico,
ocurre lo mismo si la segunda esfera se arroja inmediatamente
después de la primera, pero para cada fluido existe un tiempo
crítico después del cual ¡las esferas tienden a separarse mientras
caen!
Otra vez, el líquido percibe o guarda memoria del efecto producido
por la perturbación inicial
Hidráulica

FLUIDOS NO NEWTONIANOS
LA VISCOSIDAD DEPENDE DEL
GRADIENTE DE LA VELOCIDAD
Hidráulica

INTRODUCCION A LOS FLUIDOS
NO NEWTONIANOS
Introducción.
Lo que mostraremos en nuestro proyecto es
cómo se comporta un fluido no newtoniano a
partir de la mezcla de agua y maicena que en
proporciones adecuadas se convertirá en
fluido no newtonianoEl conocimiento de los fluidos no newtonianos
permitirá demostrar el comportamiento de
estos fluidos a través del experimento de
maicena con agua, conociendo sus
propiedades y sus diferentes fenómenos.
Hidráulica

Ley de la viscosidad
En 1697, sir Isaac Newton escribio su famoso
Philosophiae Neturalis Principia Mathematica
en la que expresó su idea de un fluido ideal.
“La resistencia que surge de la falta de
deslizamiento originario de un fluido, en
igualdad de condiciones, es proporcional a la
velocidad de que las partes del fluido están
siendo separados entre si”
Hidráulica

Fig. Nº1- Deformación de un elemento fluido
A los fluidos cuya relación entre tensión-- velocidad de
deformación no es proporcional, se los ha denominado
fluidos no-newtonianos
Ley de la viscosidad
Hidráulica

Pueden mencionarse, entre otros ,los siguientes fluidos no-
newtonianos:
• Pinturas y barnices.
• Soluciones de polímeros.
• Mermeladas y jaleas.
• Mayonesa y manteca.
• Dulce de leche y la miel.
• Salsas y melazas.
• Soluciones de agua con arcillas y
carbón.
• La sangre humana.
Ejemplos
Hidráulica

Fluidos no newtonianos
 Fluidos pseudoplásticos: adisminuye
al aumentar el gradiente de velocidad.
 Fluidos dilatantes: aaumenta con el
gradiente de velocidad.
dVx
 = - a
dz
Hidráulica

 Plástico ideal o de Bingham: hasta que no se alcanza una
determinada tensión rasante (0) no hay deformación del fluido,
luego se comportan como fluidos newtonianos
 Plástico real: hasta que no se alcanza una determinada tensión
rasante (0) no hay deformación del fluido pero luego no se
comportan como fluidos newtonianos
Fluidos no newtonianos
(0): tensión de fluencia
Hidráulica

REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN
FLUIDO
Dependencia
Velocidad del fluido
Propiedades del fluido
Presencia de cuerpos sólidos
Régimen laminar:
 Bajas velocidades de fluido
 Transporte molecular ordenado: partículas desplazándose en
trayectorias paralelas.
 Régimen de transición.
 Régimen turbulento:
 Altas velocidades de fluido
 Transporte molecular turbulento: partículas y porciones
macroscópicas del fluido se entremezclan al azar desplazándose
en todas direcciones.
Hidráulica

FLUIDO
Perfiles de velocidad en
régimen laminar y
turbulento
Hidráulica

FLUIDOExperimento de Reynolds para determinar el
tipo de flujo de un fluido
 El régimen de flujo se
determina mediante la siguiente
expresión empírica:
Número de Reynolds
(Adimensional):
V: velocidad del fluido (m/s) ;
D: diámetro de la conducción (m);
: viscosidad cinemática del fluido
(m2/s).

DV 
Re
Conducciones cilíndricas
Re ≤ 2 000 (Régimen laminar)
2 000 ≤ Re ≤ 4 000 (Transición)
Re ≥ 4 000 (Régimen turbulento)
Hidráulica

FLUIDOð En un proceso de conducción específico suelen
coexistir las dos condiciones límites de flujo: laminar y
turbulento
ð Se introduce el concepto de subcapa laminar
Hidráulica

Definición de la velocidad de un fluido
Velocidad media (V): Definida en función del caudal volumétrico
(Qv).
Medida experimental:
S: área de la sección transversal que atraviesa el fluido
Velocidad eficaz (Ve): Definida en función de la energía cinética.
S
Qv
V 
22 D
4
rS 


2
ec
Vm
2
1
E 
m
Ec
Ve


22
 Parámetro  : relaciona Ve y V.
2
2
eV
V

Hidráulica

TIPOS DE FLUJO (en función de la
densidad)
Incompresible: la densidad es constante con la
presión, líquidos.
Compresible: la densidad es función de la presión
Flujo interno de fluidos
Implica consumo y aporte de energía
 Cantidad de energía necesaria para transportar
un fluido entre diferentes puntos de una instalación.
 Las pérdidas de carga por rozamiento en el
interior de la conducción.
Hidráulica

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