Você derrama mel. Ele engasga. Espesso. Lento. A água atinge a pia com um estrondo. Rápido. Caótico.
A diferença não é apenas textura. É física. Especificamente, é viscosidade.
A maioria das pessoas pensa na viscosidade como “espessura”. Isso está perto, mas perde o foco. Viscosidade é a resistência que líquidos e gases apresentam contra fluxo e deformação. É a medida de quanto um fluido reage quando você tenta movê-lo.
Como funciona a viscosidade em nível molecular
Tudo se resume ao atrito interno.
Imagine as partículas dentro de um fluido. Eles não estão apenas flutuando livremente. Eles estão interagindo. Puxando. Empurrando. A força das ligações entre átomos e moléculas determina a facilidade com que essas camadas de fluido podem deslizar umas sobre as outras.
Se essas ligações forem fracas, as moléculas se separam com pouco esforço. O fluido flui. Se as ligações forem fortes, as moléculas aderem umas às outras. Eles resistem à separação. Eles resistem à deformação.
Quanto maiores as forças de atração intermoleculares, maior a viscosidade.
É uma troca direta. Atração mais forte significa mais resistência. Mais resistência significa um fluido mais viscoso.
Por que isso é importante para gases e líquidos
Costumamos falar sobre isso com líquidos. Óleo. Xarope. Leite. Mas os gases também têm viscosidade. O ar tem viscosidade. É muito menor porque as moléculas estão mais distantes e interagem com menos frequência.
A viscosidade é uma das principais características dos fluidos. Você não pode definir um fluido sem definir como ele resiste ao fluxo.
Pense desta forma:
- Baixa viscosidade : O fluido flui facilmente. Pouco atrito interno. Pense em água ou álcool.
- Alta viscosidade : O fluido resiste ao fluxo. Alto atrito interno. Pense em melaço ou óleo de motor pesado.
A resistência depende inteiramente da força com que as moléculas ou partículas tentam permanecer juntas quando você as separa.
Então, quando você vê um fluido se movendo, você está na verdade assistindo a uma batalha. Você está observando uma força externa tentando superar a atração molecular interna. Quem ganha determina a velocidade.
Como realmente medir a viscosidade sem adivinhar
Você não pode simplesmente olhar para isso. Na verdade. Você precisa de ferramentas. Especificamente, um viscosímetro ou um reômetro. Esses dispositivos não monitoram apenas o fluido; eles medem a resistência. O resultado? Um número representado pela letra grega μ (mu). Esse é o símbolo da viscosidade dinâmica.
Mas como você calcula isso? Você volta para Newton. Sua lei da viscosidade fornece a fórmula:
𝞽 = μ(u/y)
Parece simples. Não é. Aqui está o que as variáveis realmente significam no mundo real:
- 𝞽 é tensão de cisalhamento. Pense nisso como a pressão tangencial empurrando a superfície.
- μ é a própria viscosidade dinâmica.
- u é a velocidade do fluido.
- y é a distância ou deformação entre camadas de fluido.
No sistema SI, a unidade é pascal-segundo (Pa·s). Mas engenheiros e cientistas falam muitas vezes outras línguas. O poise (P) vem do sistema CGS e é igual a 0,1 Pa·s. Você provavelmente verá o centipoise (cP) com mais frequência – é 0,01 poise ou 10 Pa·s. Depois, há gramas por centímetro-segundo (g/cm·s), que é apenas outra maneira de dizer 1 equilíbrio. Newtons por segundo por metro quadrado (N·s/m²) e quilogramas por metro-segundo (kg/m·s) equivalem a 1 Pa·s. É uma confusão de unidades, mas todas mapeiam a mesma realidade física.
Por que o iogurte se comporta de maneira diferente da água
A viscosidade não é uma característica fixa. Depende do fluido. E a temperatura.
Tome água. Aqueça e ele fluirá mais rápido. A viscosidade cai. A maioria dos líquidos faz isso. Mas gases? Eles fazem o oposto. Aqueça um gás e sua viscosidade aumenta. Por que? Porque as partículas colidem com mais frequência em temperaturas mais altas, criando mais atrito interno. É contra-intuitivo se você está acostumado a pensar apenas em líquidos.
Depois, há o tipo de fluido. Você está lidando com um fluido newtoniano ou não-newtoniano?
A água e a maioria dos gases são newtonianos. Mexa forte ou lentamente e sua viscosidade permanece a mesma. A resistência interna é constante independentemente da força aplicada.
Iogur, tinta e gelatina, não. Eles são fluidos não newtonianos. Sua viscosidade muda quando você aplica força. O iogurte fica grosso e imóvel na colher. Mexa e de repente flui. Pare de mexer e engrossa novamente. Este comportamento cria um gradiente de velocidade através das camadas de fluido. Diferentes partes do líquido se movem em velocidades diferentes porque o atrito interno varia.
As forças moleculares são importantes aqui. Forte atração intermolecular significa maior viscosidade. Atração fraca significa que o fluido escapa facilmente. Um fluido com viscosidade zero é uma construção teórica chamada fluido ideal ou superfluido. Não existe na sua cozinha, mas é importante na física.
Viscosidade dinâmica vs. cinemática: qual a diferença?
Você precisa saber de qual deles está falando.
Viscosidade dinâmica (ou viscosidade absoluta) é a resistência interna entre as moléculas. É o que mantém o fluido unido em vez de se dispersar. Já cobrimos seu símbolo, μ, e sua unidade, o pascal-segundo.
A viscosidade cinemática é diferente. Relaciona viscosidade dinâmica com densidade. O símbolo é ν (nu). A fórmula é:
ν=μ/ρ
Onde ρ é a densidade do fluido.
Por envolver densidade, as unidades mudam. No sistema CGS, a unidade é o stoke (St), que equivale a centímetros quadrados por segundo (cm²/s). Freqüentemente, você verá centistoke (cSt), que é 0,01 stokes. No SI, são metros quadrados por segundo, embora seja um número grande para os fluidos mais comuns.
Por que distingui-los? Porque a viscosidade dinâmica informa sobre a força necessária para mover o fluido. A viscosidade cinemática informa como o fluido flui sob a gravidade. Uma é sobre esforço; o outro é sobre taxa de fluxo.
A viscosidade das substâncias cotidianas
A água a 20°C tem uma viscosidade de 1 centipoise. Isso é baixo. Derrama facilmente. É um dos líquidos comuns menos viscosos.
Compare isso com petróleo. Quer se trate de óleo de cozinha proveniente de sementes ou óleo combustível de petróleo refinado, o óleo é viscoso. O óleo combustível é particularmente espesso. Ele resiste ao fluxo, por isso os motores precisam de bombas e pressão para movê-lo.
Gel de cabelo e shampoo também são altamente viscosos. Suas moléculas resistem ao movimento. Agite a garrafa e eles ficarão mais finos. Deixe-os sentar e eles podem até parecer sólidos. Na prática, eles não são newtonianos, mudando a textura com base na agitação.
Glicerina é outro exemplo. Encontrado em gorduras animais e vegetais, é usado em sabonetes e cosméticos devido à sua natureza espessa e pegajosa. Não flui como a água.
Mercúrio é um metal líquido. É denso e possui perfil de viscosidade específico próprio, utilizado em processos industriais e historicamente em dispositivos médicos. Ele se comporta de maneira diferente dos líquidos orgânicos devido à sua ligação metálica.
Xaropes são viscosos devido ao teor de açúcar. A alta concentração de sólidos dissolvidos cria arrasto entre as moléculas. Eles fluem lentamente, deliberadamente.
Compreender a viscosidade não envolve apenas saber a espessura de algo. Trata-se de prever como ele se comportará quando você empurrá-lo, aquecê-lo ou deixá-lo descansar.
