HISTORIA DE LOS VISCOSÍMETROS Todo comenzó cuando se creó el concepto de Fluido Ideal 1, con este alboroto Isaac Newton 2 ideó una forma de clasificar los fluidos ideales y los fluidos que no son ideales. Para poder hacer esta división realizó, lo que hoy se le conoce como LA LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON, afirma que dada una rapidez de deformación en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad, en ella incluyó diferentes cualidades que debe tener un fluido ideal (fluido newtoniano) y las que debe tener un fluido no ideal (fluidos no newtoniano). Como bien se sabe ningún fluido ideal, ya que todos los fluidos reales tienen viscosidad, algunos fluidos que tienen una viscosidad muy baja se les puede llegar a considerar como fluidos newtonianos; es aquí en donde entra el papel de los viscosímetros, que son instrumentos que se utilizan para conocer la viscosidad dinámica o cinemática de cualquier fluido real, utilizando diferentes métodos de trabajo cada uno de ellos, además, de utilizar diferentes unidades de mediciones como el poise 3, el stoke4, Pa(s) y el grado SAE 5. La ATSM Internacional produce estándares para medir y reportar mediciones de viscosidad. También a los viscosímetros se les conoce como reómetros. Los primeros reómetros como los Viscosímetros de Tambor Rotatorio fueron desarrollados por Couette 6 en 1890, un viscosímetro con unos cilindros unilaterales, que utiliza el concepto de viscosidad dinámica en su funcionamiento. Mediante el uso de esta sencilla ecuación:
Se hace girar el tambor exterior a una velocidad angular constante, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario. Por consiguiente, el fluido que está en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad lineal, v, conocida, mientras tanto el fluido que está en contacto con el tambor interior tiene una velocidad cero. Debido a la viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre Viscosímetro de Tambor la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo de Rotatorio un torque cuya magnitud puede medirse con un torquímetro sensible. La magnitud de dicho torque es una medida de la tensión de corte del fluido. 1
Fluido Ideal.- es aquel en el cual no existe fricción entre sus partículas, osea que la viscosidad ( =0). Sir Isaac Newton (1642-1727) Físico, Matemático y Astrónomo Inglés Creador de las 3 leyes del movimiento y la Ley de la Gravitación Universal entre sus principales aportaciones. 3 Poise: en honor a Jean Louis Marie Poiseuille. 4 Stoke: en honor a George Gabriel Stokes. 5 Grado SAE: nombre dado por la Society Automotors Engineers (SAE), apartir de 100°C derivado del centistoke. 6 Maurice Couette (1858-1943) Físico francés reconocido por su trabajo en la mecánica de fluidos. 2
1
De este aparato se deriva el viscosímetro de Stabinger que funciona mediante la creación de un campo magnético, utilizando imanes, haciendo de este un método novedoso.
Viscosímetro de Tubo Capilar Hablando de los verdaderos inicios de los viscosímetros tenemos el Viscosímetro de Tubo Capilar inventado por Pouseuille 7 en 1828 como tiene como fundamento de funcionalidad la Ley de Poiseuille que ayuda a determinar mediante el uso de un tubo cilíndrico fino y un par de manómetros, la viscosidad y la velocidad de los flujos capilares. A posteriori los Viscosímetros de Vidrio Capilar Estándar o Viscosímetros de Ostwald. Fueron inventados en 1918 por Friedrich W. Ostwald8, para medir la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos. Viscosímetro de Vidrio Al preparar la prueba de Capilar Estándar viscosidad, el tubo del viscosímetro se carga con una cantidad específica del fluido de prueba. Después de estabilizar la temperatura de prueba, se aplica una succión para hacer pasar el fluido por el bulbo, ligeramente por arriba de la marca superior del tiempo. Se suspende la succión y se permite que el fluido circule por gravedad. La sección de trabajo del tubo es la capilar por debajo de la marca inferior del tiempo. La viscosidad cinemática se calcula con la multiplicación del tiempo del flujo por la constante de calibración de viscosímetro.
7
Baño que guarda viscosímetros capilares de vidrio estándar
Jean L. Marie Poiseuille (1799-1864) Físico y fisiólogo francés. Inventó un viscosímetro y fue el primero (1828) en utilizar el manómetro de mercurio para medir la presión arterial. 8 Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) Químico y filósofo alemán, ganador del premio Nobel de Química en 1909.
2
Característica de la bola de acero
Viscosímetro de Saybolt Universal
En el año de 1933 Fritz Höppler crea lo que hoy se le conoce como viscosímetro de bola que cae o viscosímetro de Höppler utilizando el principio de la velocidad terminal. Hace que una bola esférica caiga a través de un fluido y se mida el tiempo que requiere para recorrer una distancia conocida. Así es posible calcular la velocidad. Para tomar el tiempo de descenso de la bola es necesario que el fluido sea Viscosímetro de Bola que transparente, para así poder cae o de Höppler observarlo y llevar a cabo el registro. La esfera está hecha de acero inoxidable, una aleación de Níquel, Hierro y Vidrio. En la actualidad el viscosímetro de Saybolt universal es uno de los más confiables debido a su excelente precisión, pero los antecedentes de este maravilloso invento, datan de finales del siglo XIX, en 1885 el Químico Inglés George M. Saybolt desarrolló un sistema para obtener la viscosidad de un líquido, la cual se obtiene midiendo el tiempo en segundos que tarda en escurrir, a través de un orificio calibrado. LÍNEA DEL TIEMPO
3
ANEXO: VISCOSÍMETROS DISCONTINUOS Y CONTINUOS Viscosímetros discontinuos que se basan en: a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un orificio. El orificio puede sustituirse por un tubo capilar. b) Tiempo de caída de una bola metálica o de ascensión de una burbuja de aire en el seno del fluido contenido en un tubo o bien de caída de un pistón en un cilindro. c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa que gira a velocidad constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento fijo. Entre los viscosímetros continuos que permiten el control de la viscosidad se encuentran los siguientes: 1. Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal constante. Dos tomas situadas antes y después del tubo capilar se conectan a un transmisor de presión diferencial neumático o electrónico. 2. Par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El elemento de forma dada gira a través de un resorte calibrado por medio de un motor síncrono. El ángulo de desviación en el movimiento entre el eje del motor y el elemento inmerso en el fluido es proporcional a la viscosidad. Este ángulo se mide en desplazamiento de contactos o en variación de resistencia o capacidad. 3. Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad. Se mantiene un caudal constante del fluido con lo que la posición del flotador depende de la viscosidad. Al rotámetro se le puede acoplar un transmisor neumático o electrónico. 4. Vibraciones o ultrasonidos. Se mide la energía necesaria para excitar una probeta en vibración continua o que vibra ultrasónicamente en el seno del fluido.
4
¿CÓMO CONVERTIR DE GRADOS SAE A LAS UNIDADES DEL SISTEMA INTERNACIONAL? En el año 1898 se creó la ASTM9, en ese momento comenzaron a tener sentido ciertas cosas y además comenzaba la época de la revolución tecnológica del siglo XX. La ASTM creo en los años cuarentas, durante la época de la segunda guerra mundial, un sistema al que le denominó grado SAE en el cual clasificaban los aceites para autos según su viscosidad en un principio, después de un tiempo también comenzaron a clasificarlos conforme a sus propiedades físicas y químicas; esto porque en algún tiempo exactamente entre los años 1923 y 1930 Henry Ford10 que se hizo cargo de la normalización de una gran cantidad de materiales. El grado SAE es como ya se dijo una forma de clasificar y medir la viscosidad, potencia y resistencia de un aceite lubricante. Los aceites con el sufijo W se basan en la viscosidad dinámica máxima a temperaturas frías, como el SAE 40W, sin embargo, los aceites sin el sufijo W tienden a usarse para temperaturas elevadas, como el SAE 40; para los aceites que cuentan con ambos denominaciones como el SAE 40W- 10, indica que este aceite se va a utilizar tanto para temperaturas bajas como altas. Para convertir de grado SAE al Sistema Internacional es muy simple, las tablas de algunos aceites lubricantes para motores o engranes vienen dadas en centipoises para la viscosidad dinámica y en centistokes para la viscosidad cinemática solo es cuestión de hacer la clásica y muy conocida conversión de unidades, por ejemplo, 1 centipoise es igual a 1 milipascal por segundo, y un 1 centistoke es igual a 1 milímetro cuadrado por segundo.
9
ASTM: siglas de la American Society for Testing and Materials. Henry Ford (1863-1947) Creador del primer automóvil con motor y además fundador de la Ford general motors. 10
5
Grado SAE
Grados SAE en aceites para motor Temperatura Alta Temperatura Baja (Viscosidad cinemática) a (Viscosidad Dinámica) 100°C en mm2/s Condición Condición Temperatura Alta, tasa cortante Cigüeñal en Bombeo en Máx. Mín. elevada a 150°C en mPa mPa(s) mPa(s) Mín.
0W
6200 a -35
60000 a -40
3.8
---
---
10W
7000 a -25
60000 a -30
4.1
---
---
15W
7000 a -20
60000 a -25
5.6
---
---
20W
9500 a -15
60000 a -20
5.6
---
---
25W
13000 a -10
60000 a -15
9.3
---
---
20
---
---
5.6
9.3
2.6
30
---
---
9.3
12.5
2.9
40
---
---
12.5
16.3
2.9
50
---
---
16.3
21.9
3.7
60
---
---
21.9
26.1
3.7
Grados SAE para lubricantes de engranes Grado SAE 70W 75W 80W 85W 80 85 90 140 250
Tmáx para Viscosidad Dinámica de 15000mPa(s) en (°C) -55 -40 -26 -12 -----------
Viscosidad Cinemática a 100°C en mm 2/s
6
Máx.
Mín.
4.1 4.1 7.0 11.0 7.0 11.0 13.5 24.0 41.0
--------11.0 13.5 24.0 41.0 ---
FLUIDOS REOLÓGICOS 2,5
2 Fluidos Newtonianos
Fluido Plástico
1,5
Fluido Pseudoplástico Fluido Dilatante 1
Sólido Rígido Fluido Ideal
0,5
Fluido Plástico Ideal
0 0
0,5
Esfuerzo de Cedencia
1
1,5
2
Velocidad de δ
2,5
Fluidos Newtonianos: Son aquellos fluidos que son casi ideales, porque en sí ningún fluido es ideal, y que cumplen medianamente con la Ley de la Viscosidad de Newton. Ejemplos: Agua Glicerina Gasolina Fluidos Plásticos o de Bingham11: También se les llama fluidos de inserción y requieren la aplicación de un esfuerzo cortante alto antes de que comience el flujo. Ejemplos: Asfalto Pintura Grasas Fluidos Pseudoplásticos o Tixotrópicos: Tienen una viscosidad ligeramente elevada y además conforme aumenta la velocidad va fluyendo poco a poco más rápido. Ejemplos: Polietileno fundido Látex Cintas Adhesivas
11
E. C. Bingham (1922) Fluidity and Plasticity McGraw-Hill
7
Fluidos Plásticos Ideales: Ningún fluido plástico es ideal, en la gráfica se muestra que este de fluido debe pasar por un ligero esfuerzo de cedencia antes de iniciar con el flujo. Sólidos Rígidos: Son sólidos como cualquier otro, en la gráfica bien se observa que en los sólidos rígidos no hay ninguna clase de flujo. Ejemplos: Madera Concreto Acero Fluidos Ideales o Fluidos Sin Viscosidad: Los fluidos ideales según suponía Sir Isaac Newton son aquellos líquidos que no presentan ningún tipo de esfuerzo cortante, en la gráfica se observa cómo no necesita nada moverse fluye y fluye libremente. Fluidos Dilatantes: Su curva comienza con una ligera pendiente, pero la velocidad hace que el esfuerzo cortante y la fluidez vayan paulatinamente aumentando. Ejemplos: Etilenglicol (C2H6O2) Dióxido de Titanio (TiO2) Almidón de Agua (CH2O)
8
BIBLIOGRAFÍA www.google.com.mx http://molten.latinclicks.info/newton_viscosidad.html http://www.biografiasyvidas.com/monografia http://www.educacionenergetica.org/web/docs/recursos/efemerides_abril.pdf http://www.construsur.com.ar/News-sid-128-file-article-pageid-3.html http://www.scielo.org.ve/img/fbpe/rlmm/v23n1/art02fig5.jpg http://grupos.emagister.com/documento/historia_astm/6470-251874 Libro: Mecánica de Fluidos o Autor: Robert L. Mott o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Pearson Prentice Hall Libro: Termodinámica o Autores: Yunus A. Cengel y Michael A. Boles o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Mc Graw Hill Libro: Instrumentación Industrial o Autor: Antonio Creus Solé o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Alfa Omega
9
