Viscosidad - Mecánica de fluidos

La viscosidad es una propiedad de los fluidos con gran trascendencia en el estudio del flujo de fluidos. La viscosidad es la propiedad del fluido que representa la resistencia de éste al esfuerzo cortante.

Según la ecuación de Newton sobre los fluidos:

T = µ·(du/dy)

Donde du/dy, tenemos la rapidez de deformación angular. T el esfuerzo cortante (N/m^2) y la razón que relacióna la deformación y el esfuerzo cortante es la viscosidad, µ.

Ésta nos dice que dada una rapidez de deformación angular, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad del fluido. Decimos que una sustancia es viscosa, por tanto tiene un valor de la viscosidad alto, como la miel, cuando ejerce una resistencia notable a la deformación. El aire y el agua por el contrario son sustancias poco viscosas y por tanto su valor para la viscosidad es pequeño.

La viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, mientras que la viscosidad de los líquidos disminuye con ésta.

Esto se debe a que la resistencia a un esfuerzo cortante es ejercida por dos causas predominantes diferentes, que son: las fuerzas cohesivas y la transferencia de cantidad de movimiento.

En el caso de los líquidos, en los que las moléculas están en contacto , las fuerzas cohesivas son grandes y son las responsables, en su mayoría, de la resistencia al esfuerzo cortante en los líquidos. A mayor temperatura menor fuerza de cohesión entre las moléculas, por tanto la viscosidad disminuye con la temperatura en los líquidos.

En el caso de los gases sin embargo el responsable de la resistencia aparente a los esfuerzos cortantes es la transferencia de la cantidad de movimiento. La transferencia de la cantidad de movimiento se produce a través del intercambio de moléculas colindantes entre una superficie ficticia cualesquiera. Esto a gran escala genera la percepción de un esfuerzo aparente. Si tenemos dos capas adyacentes en un fluido gaseoso, con un movimiento relativo entre ambas, la transferencia de la cantidad de movimiento genera una resistencia aparente a este movimiento relativo entre ambas y tiende a igualar sus velocidades.

La actividad molecular dá origen a un esfuerzo cortante aparente en los gases, cuyo efecto es mayor que el ejercido por las fuerzas cohesivas y dado que la actividad molecular aumenta con la temperatura, la viscosidad de un gas también aumenta con ésta.

Para presiones ordinarias, la viscosidad es independiente de la presión y depende sólo de la temperatura. Para presiones muy grandes, los gases y la mayor parte de los líquidos han mostrado variaciones erráticas con la presión.

Un fluido en reposo , de manera que ninguna capa se mueva en relación con una capa adyacente, no establece esfuerzos cortantes aparentes, cualesquiera que sea la viscosidad, porque la velocidad de deformación angular , du/dy , es cero en todo el líquido. Por tanto en el estudio de la estática de fluidos no se pueden considerar los esfuerzos cortantes, porque éstos no ocurren en un fluido estacionario.  Los únicos esfuerzos que se pueden considerar son los efectuados por presiones o esfuerzos normales. Esto simplifica el estudio de la estática de fluidos ya que cualquier cuerpo líquido libre solo pueden actuar fuerzas de gravedad y fuerzas superficiales normales actuando sobre él.

Las dimensiones de la viscosidad se determinan a partir de la ley de la viscosidad de newton.

Resolviendo para la viscosidad µ.

µ = T/(du/dy)

se demuestra que µ tiene las dimensiones F * L^(-2) * T.

La unidad del SI para la viscosidad es el newton-segundos por metro cuadrado. (N*s/m^2) o kilogramos por metro-segundo ( Kg/m*s), no tiene nombre.

Una unidad común en el sistema cgs , es el llamado Pose (P); es igual a 1/cm·s y es 10 veces mayor que la unidad poise.