FLUÍDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS

 A continuación un experimento en el que se evidencia y ejemplifica un fluido no newtoniano:

Materiales:

-Fécula de maíz.

-Agua. 

-Recipiente para realizar la mezcla.

Procedimientos:

1. En el recipiente que escogiste agrega la fécula de maíz (maicena) y empieza a agregar agua en pequeñas cantidades.

2. Con ayuda de un palillo empieza a revolver la fécula de maíz y el agua hasta obtener una mezcla homogénea con consistencia como la que se evidencia en el vídeo 1. 

3. Deja reposar la mezcla y luego empieza a ejercer fuerza sobre ella, ¿Qué sucede?

Resultados esperados:

¿Qué ha pasado cuando golpeas la mezcla?, ¿Qué pasa cuando tratas de atravesar la mezcla con fuerza? Tal vez sea sorprendente el resultado; al ejercer fuerzas sobre la mezcla esta cambia sus propiedades volviéndose más viscosa, casi que comportándose como un sólido, pero en el momento en que se dejan de realizar fuerzas, inmediatamente vuelve a su estado inicial en el que se encontraba líquida, lo anterior sucede gracias a que este líquido tiene propiedades de fluido no newtoniano, es decir, todos aquellos que no cumplen las propiedades de fluidos típicos, como por ejemplo, el agua..

¿Cómo el experimento da respuesta al concepto físico?

¿A qué se debe el comportamiento del fluido usado en el experimento? ¿Qué hace que este fluido sea tan distinto a los fluidos normales?  La viscosidad es una propiedad propia de los fluidos en movimiento que representa la resistencia al flujo que tiene un fluido, es decir, un fluido que resiste al movimiento será más viscoso que aquel que fluye fácilmente. Isaac Newton descubrió que la mayoría de los fluidos tienen una viscosidad que es afectada únicamente por la temperatura, Newton descubrió que si una sustancia se calienta se volverá menos viscosa y si disminuye su temperatura será más viscosa. Según esto, los fluidos que cumplan esta propiedad recibirán el nombre de fluidos newtonianos, son fáciles de identificar porque son aquellos que se observan comúnmente, como el agua, los aceites, el petróleo, etc. Estos fluidos mantienen su viscosidad sin importar que tanto esfuerzo represente fluir a través de tuberías o canales, siempre y cuando su temperatura permanezca constante. Pero, el experimento mostrado anteriormente no cumple con estas propiedades, es decir que no es un fluido newtoniano, ya que la viscosidad de este se ve claramente afectada por factores distintos a la temperatura y por tanto clasifica en el grupo de los fluidos NO newtonianos. Estos fluidos a diferencia de los newtonianos cumplen con la característica de que la viscosidad cambiará debido a la agitación o presión, también conocida como tensión cortante. Algunos de los fluidos no newtonianos más comunes son el plástico, el caucho y tejidos como el poliéster y “Spandex”, polímeros naturales que incluyan proteínas y almidón. [1]

Los fluidos no newtonianos se pueden clasificar según el comportamiento que tenga la viscosidad en función de la tensión cortante, entre ellos se encuentran los fluidos dilatantes (espesamiento por corte) que son aquellos que se vuelven más viscosos al aplicar una tensión cortante, como el del experimento presentado anteriormente, ¡por supuesto!, es por esto que cuando se presiona parece solidificarse, esto debido a que al aplicar una tensión lentamente a un fluido dilatante, las cadenas de polímero tienen tiempo para moverse fuera del camino y reorganizarse a sí mismas, por lo que la viscosidad no se ve afectada. Pero si una tensión rápida es aplicada, las cadenas de polímero no tienen tiempo para reorganizarse y se enredan, asumiendo una consistencia de tipo sólido a medida que la viscosidad aumenta. También se encuentran los fluidos pseudoplásticos (adelgazantes por corte) aquellos que se vuelven menos viscosos al agitar o aplicar una tensión cortante, algunos ejemplos de estos pueden ser la pintura, la crema de afeitar, la crema dental y las arenas movedizas, cuanto más esfuerzo se hace por salir más rápido se hundirá ya que esta se vuelve menos viscosa.[1] Finalmente, se encuentra el plástico de Bingham Los fluidos que obedecen a este modelo exhiben un comportamiento lineal de esfuerzo cortante y velocidad de corte después de alcanzar un umbral inicial de esfuerzo cortante.[2]

Figura 1: Gráfica de fluidos newtonianos y no newtonianos en función de la velocidad de deformación. [3]

¿Cómo se relaciona el concepto físico con la biofísica y el cuerpo humano?

En el cuerpo humano se presentan fluidos en los que es posible estudiar estas condiciones, siendo la sangre el fluido más importante e interesante para estudiar estas propiedades características de los fluidos. 

El sistema cardiovascular está compuesto por el corazón, vasos sanguíneos, reguladores nerviosos y bioquímicos. Los vasos sanguíneos se diferencian por el tamaño de los conductos y se clasifican en venas, arterias y capilares. Otra característica importante de la sangre se encuentra en su composición, siendo principalmente de eritrocitos, leucocitos y trombocitos. [4]

La reología según la RAE se define como "Estudio de los principios físicos que regulan el movimiento de los fluidos" conociendo este concepto se dice que la sangre humana es un fluido con reología muy compleja, debido a que en algunas situaciones se considera como un fluido no newtoniano pseudoplástico y en otras como un fluido newtoniano. Lo anterior debido a que es un sistema complejo donde su reología varia dependiendo del sistema de flujo y de las condiciones en las que se encuentre y se estudie. [5] 

El flujo sanguíneo se estudia relacionando el comportamiento de la viscosidad, corrientes, velocidad, presión y flujo. La sangre recorre conductos de distintos diámetros produciendo cambios en las variables de velocidad y presión según el conducto en el que se encuentre (arteria, arteriola, etc.) Teniendo en cuenta que su viscosidad varia se comporta como un fluido no newtoniano. Ahora, considerando la sangre como un fluido incomprensible y viscoelástico, según las condiciones de frontera se comporta como un fluido newtoniano. Es por esto que una forma acertada de identificar si el fluido es o no es newtoniano es mediante el número de Reynolds, en el que se puede medir la tendencia de un fluido a ser turbulento y se puede enfatizar al flujo sanguíneo; para resultados menores a 2000 se tendrá un fluido estacionario y para valores mayores se considera como un fluido turbulento en el que hay variación de velocidades y se presentan intercambios de masa produciendo un fluido con características NO newtonianas. [5]

La viscosidad de la sangre se determina principalmente por el valor del hematocrito (Proporción de eritrocitos en volumen de sangre) que en valores normales se encuentran entre el 45% y el 55%.

Una condición importante que se relaciona con un comportamiento no newtoniano en sangre es cuando el diámetro del vaso en el que se transporta es menor a 100 micrómetros, debido a que la viscosidad tiende a disminuir; otra condición importante es presentar una tasa baja de cizallamiento (fuerza que actúa sobre el área de una unidad de líquido y da como resultado un gradiente de velocidad en todo el espesor de la muestra). [5]

Para realizar un estudio acertado de la sangre como un fluido no newtoniano se deben de satisfacer algunos parámetros esenciales, como son la dependencia del hematocrito, la dependencia de la temperatura, la concentración de proteínas en sangre, las condiciones del flujo (pulsátil o continúo), parámetro de la viscosidad en función de la variación de la velocidad, entre otros. Según esto, se han creado distintos modelos para el estudio de la sangre como fluido no newtoniano y son:

-Modelo de Walburn- Schneck.

-Modelo de ley de potencia-

-Modelo de Casson.

-Modelo de Carreau.

-Ley de poder.

Donde el modelo de Casson es uno de los más completos debido a que caracteriza la dependencia del hematocrito.

En vasos sanguíneos medianos y grandes la sangre tiene un comportamiento newtoniano ya que se presenta una relación lineal entre la tasa de cizallamiento y el esfuerzo constante, generando una viscosidad contante, debido a que en este caso el diámetro del eritrocito es insignificante en comparación con el diámetro del vaso en el que circula. Para el estudio de este fluido newtoniano es común encontrar dos modelos, y son:

-Modelo de Poiseuille.

-Modelo de Bernoulli.

Debido a los estudios realizados al flujo sanguíneo, se dice que una persona saludable con porcentajes de hematocrito entre el 45% y el 50% tendrá valores de viscosidad estables y generalmente analizados como un fluido newtoniano. Por el contrario, en una persona con porcentajes por encima o por debajo de estos se presenta variación en los eritrocitos y se encuentran comportamientos próximos a un fluido no newtoniano encontrando patologías que alteran el funcionamiento adecuado del sistema cardiovascular. [5]

Finalmente, es importante mencionar que en el cuerpo humano la sangre es solo uno de los muchos fluidos que presentan características como las mencionadas en este blog. Algunos de ellos son las mucosas (no newtonianas) o el líquido sinovial de las articulaciones (no newtoniano dilatante) que al exponerse a un golpe aumenta su viscosidad para prevenir lesiones en estas zonas.[4]

Referencias:

[1]B. Rohrig, La maravilla para reducir impactos. ChemMatters, 2017.

[2]Ucm.es, 2020. [Online]. Available: https://www.ucm.es/data/cont/docs/76-2015-03-19-Fluido%20no%20newtoniano.pdf. [Accessed: 25- Sep- 2020].

[3]"DIFERENCIAS MUY FLUIDAS", Ciencia en Común, 2020. [Online]. Available: https://cienciaencomun.wordpress.com/2015/09/29/diferencias-fluidos/. [Accessed: 25- Sep- 2020].

[4]L. Moreno, G. Sánchez, F. Calderas, L. Medina, A. Sánchez and O. Manero, La sangre humana desde el punto de vista de la reología, 1st ed. México, 2020.

[5]C. Montaño, N. Rodriguez and L. Camargo, "MODELOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS ASOCIADOS AL FLUJO SANGUÍNEO: REVISIÓN", Repository.udistrital.edu.co, 2020. [Online]. Available: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/7404/1/Monta%C3%B1oCamargoDianaCarolina2017.pdf. [Accessed: 25- Sep- 2020].

Experimento de difusión.

Se va a realizar un experimento en el cual se podrá evidenciar el fenómeno de difusión.

Materiales:

-Tres copas o vasos transparentes.

-Violeta de genciana o tinta.

-Agua en distintas temperaturas (caliente, fría y a temperatura ambiente).

Procedimientos:

1. En cada copa agrega la misma cantidad de agua a distintas temperaturas, es decir, en la primera copa agrega agua caliente, en la segunda agua a temperatura ambiente y en la tercera agua fría.

2. Después de tener listas las copas con agua, agrega una gota de violeta o tinta en cada una de ellas. ¿Qué sucede?

Resultados esperados:

¿Qué ha pasado con la tinta en el agua? Era de esperar que la tinta se "disolviera" en el agua, gracias al fenómeno de difusión, pero como se puede observar en el vídeo en cada copa la velocidad de difusión fue distinta. En el agua caliente fue casi inmediato el momento en que la violeta estaba homogéneamente distribuida en el líquido, mientras que en el agua fría el proceso fue muy lento, tanto así que no se disuelve completamente; en ese orden de ideas, era de esperarse que en la temperatura ambiente la velocidad de difusión fuese un punto medio de lo que tardó en las otras dos temperaturas (más lento que en el agua caliente pero más rápido que en el agua fría). 

¿Cómo el experimento da respuesta al concepto físico?

Difusión se conoce como el proceso en el que iones, moléculas o pequeñas partículas se mueven al azar debido a un movimiento inducido por la energía térmica en pro de un gradiente de concentración.

Si  consideramos la agrupación de partículas concentradas en una región del espacio estas migrarán en todas direcciones generando mayor dispersión (difusión simple).

Ahora, si consideramos un sistema compuesto por un soluto y un solvente, las partículas saltarán de un lugar a otro constantemente. En los puntos próximos al origen la concentración de las partículas será mayor, generando así una diferencia de concentración con los puntos más alejados de este. El gradiente de concentración que se presenta será suficiente y necesario para iniciar un transporte difusivo. [1]

En el experimento este proceso se evidencia debido al gradiente de concentración generado por la presencia de violeta de genciana en agua, por tanto las partículas de la tinta viajarán hasta obtener una solución homogénea. Al ser líquidos, la energía molecular de la sustancia se debe a la energía cinética de las moléculas generadas por el movimiento y las fuerzas electrostáticas entre partículas adyacentes, cuando dos partículas se topan parte de la energía cinética es transferida al miembro menos activo. generando así una distribución uniforme de la energía cinética entre las partículas que conforman la solución homogénea. [2]

Ahora, se observa que en las distintas temperaturas que se manejaron, el tiempo que tardaron en convertirse en solución homogénea fue distinto; esto lo responde la teoría cinética, la cual explica que a mayor temperatura las moléculas de agua se moverán con mayor rapidez, de esta manera aumentarán los choques con las partículas de tinta y por tanto el proceso de difusión se hará con más rapidez. [3]

Es por esto que, en la copa con agua caliente el proceso de difusión fue mucho más rápido que el de la copa con agua fría, siendo la temperatura un parámetro catalizador en el proceso de difusión.

Difusión simple [4]

¿Cómo se relaciona el concepto físico con la biofísica y el cuerpo humano?

En biofísica la difusión se trabaja como el transporte celular y en el cuerpo humano la difusión tiene una relevancia importante ya que a excepción de los pulmones, el organismo realiza procesos de difusión en medios líquidos a través de membranas [2]. De esta manera, en el cuerpo humano se presentan procesos de difusión, como los mostrados a continuación:

-Transporte en la bicapa lipídica: las moléculas que son solubles en lípidos traspasan más fácilmente la capa lipídica de las membranas celulares que aquellas moléculas que son hidrofílicas. Algunos ejemplos de sustancias que se mueven por difusión simple son el agua, los gases disueltos como el oxigeno, el bióxido de carbono y moléculas solubles como el alcohol etílico y la vitamina A. [5]

-El paso del oxígeno en los alvéolos pulmonares.

-Impulsos nerviosos, en las que los iones de sodio y potasio atraviesan la membrana de los axones.

-El ingreso de glucosa a los glóbulos rojos.

Transporte a través de membrana[6]

Referencias:

[1]R. Latorre, Biofísica y fisiología celular. Sevilla: Universidad de Sevilla, Secretariado de Publicaciones, 1996, pp. 84-87.

[2]"Fisiologia. Capitulo 1º", Iqb.es, 2020. [Online]. Available: https://www.iqb.es/cbasicas/fisio/cap01/cap1_1.htm. [Accessed: 21- Aug- 2020].

[3]"89 Difusión de tinta en agua y teoría cinética", Fq-experimentos.blogspot.com, 2020. [Online]. Available: https://fq-experimentos.blogspot.com/2009/07/difusion-de-tinta-en-agua-y-teoria.html. [Accessed: 21- Aug- 2020].

[4]V. perfil, "UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL", Separatasdebiofisica2015.blogspot.com, 2020. [Online]. Available: http://separatasdebiofisica2015.blogspot.com/2015/08/difusion.html. [Accessed: 21- Aug- 2020].

[5]H. Rompp, Biologia general. España: Manuel Marin, 1936.

[6]C. Foundation, "Welcome to CK-12 Foundation | CK-12 Foundation", CK-12 Foundation, 2020. [Online]. Available: https://www.ck12.org/book/ck-12-conceptos-de-ciencias-de-la-vida-grados-6-8-en-espa%c3%b1ol/section/2.9/. [Accessed: 21- Aug- 2020].