Echas miel. Se pega. Grueso. Lento. El agua cae al fregadero con un chapoteo. Rápido. Caótico.
La diferencia no es sólo la textura. Es física. Específicamente, es viscosidad.
La mayoría de la gente piensa que la viscosidad es “espesor”. Eso está cerca, pero no entiende el punto. La viscosidad es la resistencia que exhiben los líquidos y gases contra el flujo y la deformación. Es la medida de cuánto resiste un fluido cuando intentas moverlo.
Cómo funciona la viscosidad a nivel molecular
Todo se reduce a la fricción interna.
Imagine las partículas dentro de un fluido. No sólo flotan libremente. Están interactuando. Tracción. Emprendedor. La fuerza de los enlaces entre átomos y moléculas determina la facilidad con la que esas capas de fluido pueden deslizarse unas sobre otras.
Si esos enlaces son débiles, las moléculas se separan unas de otras con poco esfuerzo. El fluido fluye. Si los enlaces son fuertes, las moléculas se adhieren entre sí. Se resisten a la separación. Resisten la deformación.
Cuanto mayores sean las fuerzas de atracción intermoleculares, mayor será la viscosidad.
Es una compensación directa. Una atracción más fuerte significa más resistencia. Más resistencia significa un fluido más viscoso.
Por qué esto es importante para gases y líquidos
Generalmente hablamos de esto con líquidos. Aceite. Jarabe. Leche. Pero los gases también tienen viscosidad. El aire tiene viscosidad. Simplemente es mucho menor porque las moléculas están más separadas e interactúan con menos frecuencia.
La viscosidad es una de las principales características de los fluidos. No se puede definir un fluido sin definir cómo resiste el flujo.
Piénselo de esta manera:
- Baja viscosidad : El fluido fluye fácilmente. Poca fricción interna. Piense en agua o alcohol.
- Alta viscosidad : El fluido resiste el flujo. Alta fricción interna. Piense en melaza o aceite de motor pesado.
La resistencia depende completamente de qué tan duro las moléculas o partículas intentan permanecer juntas cuando las separas.
Entonces, cuando ves un fluido en movimiento, en realidad estás presenciando una batalla. Estás viendo cómo una fuerza externa intenta superar la atracción molecular interna. Quien gana determina la velocidad.
Cómo medir realmente la viscosidad sin adivinar
No puedes simplemente mirarlo a simple vista. No precisamente. Necesitas herramientas. Específicamente, un viscosímetro o un reómetro. Estos dispositivos no sólo observan el fluido; miden la resistencia. ¿El resultado? Un número representado por la letra griega μ (mu). Ese es el símbolo de la viscosidad dinámica.
¿Pero cómo se calcula? Vuelve a Newton. Su ley de viscosidad te da la fórmula:
𝞽 = μ(u/y)
Parece sencillo. Que no es. Esto es lo que realmente significan las variables en el mundo real:
- 𝞽 es el esfuerzo cortante. Piense en ello como la presión tangencial que empuja la superficie.
- μ es la viscosidad dinámica misma.
- u es la velocidad del fluido.
- y es la distancia o deformación entre capas de fluido.
En el sistema SI, la unidad es el pascal-segundo (Pa·s). Pero los ingenieros y científicos suelen hablar otros idiomas. El poise (P) proviene del sistema CGS y equivale a 0,1 Pa·s. Probablemente verás el centipoise (cP) con más frecuencia: es 0,01 poise o 10 Pa·s. Luego están los gramos por centímetro-segundo (g/cm·s), que es simplemente otra forma de decir 1 poise. Newtons por segundo por metro cuadrado (N·s/m²) y kilogramos por metro-segundo (kg/m·s) equivalen a 1 Pa·s. Es un lío de unidades, pero todas ellas corresponden a la misma realidad física.
Por qué el yogur se comporta diferente que el agua
La viscosidad no es un rasgo fijo. Depende del fluido. Y la temperatura.
Toma agua. Caliéntalo y fluirá más rápido. La viscosidad cae. La mayoría de los líquidos hacen esto. ¿Pero los gases? Hacen lo contrario. Calienta un gas y su viscosidad aumenta. ¿Por qué? Porque las partículas chocan con mayor frecuencia a temperaturas más altas, creando más fricción interna. Es contradictorio si estás acostumbrado a pensar sólo en líquidos.
Luego está el tipo de líquido. ¿Se trata de un fluido newtoniano o uno no newtoniano?
El agua y la mayoría de los gases son newtonianos. Revuélvalos fuerte o lentamente y su viscosidad permanecerá igual. La resistencia interna es constante independientemente de la fuerza que apliques.
El yogur, la pintura y la gelatina no lo son. Son fluidos no newtonianos. Su viscosidad cambia cuando aplicas fuerza. El yogur queda espeso y quieto en una cuchara. Revuélvelo y de repente fluirá. Deja de revolver y volverá a espesarse. Este comportamiento crea un gradiente de velocidad a través de las capas de fluido. Diferentes partes del líquido se mueven a diferentes velocidades porque la fricción interna varía.
Las fuerzas moleculares importan aquí. Una fuerte atracción intermolecular significa una mayor viscosidad. Una atracción débil significa que el líquido se escapa fácilmente. Un fluido con viscosidad cero es una construcción teórica llamada fluido ideal o superfluido. No existe en tu cocina, pero importa en física.
Viscosidad dinámica versus cinemática: ¿cuál es la diferencia?
Necesitas saber de cuál estás hablando.
Viscosidad dinámica (o viscosidad absoluta) es la resistencia interna entre moléculas. Es lo que mantiene el líquido unido en lugar de dispersarse. Ya vimos su símbolo, μ, y su unidad, el pascal-segundo.
La viscosidad cinemática es diferente. Relaciona la viscosidad dinámica con la densidad. El símbolo es ν (nu). La fórmula es:
ν = µ / ρ
Donde ρ es la densidad del fluido.
Como se trata de densidad, las unidades cambian. En el sistema CGS, la unidad es carrera (St), que equivale a centímetros cuadrados por segundo (cm²/s). A menudo verás el centistoke (cSt), que es 0,01 stokes. En SI, son metros cuadrados por segundo, aunque es un número grande para los fluidos más comunes.
¿Por qué distinguirlos? Porque la viscosidad dinámica indica la fuerza necesaria para mover el fluido. La viscosidad cinemática indica cómo fluye el fluido bajo la gravedad. Uno tiene que ver con el esfuerzo; el otro es sobre el caudal.
La viscosidad de las sustancias cotidianas.
El agua a 20°C tiene una viscosidad de 1 centipoise. Eso es bajo. Se vierte fácilmente. Es uno de los líquidos comunes menos viscosos.
Compare eso con el aceite. Ya sea aceite de cocina procedente de semillas o fuel oil procedente de petróleo refinado, el aceite es viscoso. El gasóleo es especialmente espeso. Resiste el flujo, razón por la cual los motores necesitan bombas y presión para moverlo.
El gel para el cabello y el champú también son muy viscosos. Sus moléculas resisten el movimiento. Agite la botella y se diluirán. Déjelos reposar y hasta podrían parecer sólidos. En la práctica, no son newtonianos y cambian de textura según la agitación.
Glicerina es otro ejemplo. Se encuentra en grasas animales y vegetales y se utiliza en jabones y cosméticos debido a su naturaleza espesa y pegajosa. No fluye como el agua.
Mercurio es un metal líquido. Es denso y tiene su propio perfil de viscosidad específico, utilizado en procesos industriales e históricamente en dispositivos médicos. Se comporta de manera diferente a los líquidos orgánicos debido a sus enlaces metálicos.
Los jarabes son viscosos debido al contenido de azúcar. La alta concentración de sólidos disueltos crea resistencia entre las moléculas. Fluyen lenta y deliberadamente.
Comprender la viscosidad no se trata sólo de saber qué tan espeso es algo. Se trata de predecir cómo se comportará cuando lo empujes, lo calientes o lo dejes reposar.
