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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos INTRODUCCION

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o

viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega

.

Se conoce también otra viscosidad, denominada viscosidad cinemática, y se representa por

. Para calcular la viscosidad cinemática basta con con dividir la

viscosidad dinámica por la densidad del fluido.

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos

VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos I. OBJETIVOS: 

Determinar el coeficiente coeficiente de viscosidad viscosidad de los diferentes líquidos líquidos con los cuales se realizaran los diferentes experimentos.



Aprender el el uso correcto del tubo de OSTWALD. OSTWALD.



Evaluar la viscosidad viscosidad de los diferentes líquidos los cuales cuales tomaremos de muestra.

II. MATERIALES: 1. Viscosímetro de Ostwald

2. Pipeta de 10ml

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3. Cronometro

4. Termómetro

5. Densímetro

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6. Probeta

7. Vaso de Precipitados

8. Líquidos Diferentes

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III. MARCO TEÓRICO: Explicación de la viscosidad Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial. En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas

inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la

superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las

capas cilíndricas

de

agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras. Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna. Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos (véase Helio-II). La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Expresiones cuantitativas Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham. Fluido newtoniano

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano. En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante

por la superficie de un fluido viene

dada por:

donde: , fuerza cortante (paralela a la velocidad). , área de la superficie del sólido en contacto con el fluido. , coeficiente de viscosidad dinámica. , altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido. Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

Donde

es la velocidad del fluido.

Unidades Medidas de la viscosidad La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: 

Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m-1·s-1] ; otras unidades:

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos 

Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el stokes (St). Gas (a 0 °C): Viscosidad dinámica [μPa·s] Hidrógeno

8,4

Aire

17,4

Xenón

21,2

Agua (20ºC)

1002

TIPOS DE VISCOSIDAD Viscosidad absoluta o dinámica Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa esta lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms): Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille(Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P) descrita a continuación: El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10-2 poises, es la

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el pascal segundo y el centipoise es: 1Pa.s = 1 N.s/m2 = 1 kg/(m.s) = 103 cP 1cP = 10-3 Pa.s

Viscosidad cinemática Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), 10-2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado. 1m2/s = 106 cSt 1cSt = 10-6 m2/s

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Viscosidad de los aceites Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros influye la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas, mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni tampoco demasiado viscosa.

Sistemas Unidades S.I.: N.s / m2 = Kg / m.s C.G.S.: g /cm.s = Poise S.B.G.: slug / ft.seg S.I.I.: lb.seg / ft2

CLASIFICACIÒN DE LOS ACEITES La clasificación de los aceites atendiendo a su velocidad ,generan en la etiqueta de los envases una serie de siglas , acompañados por unos dígitos , identificando el grado de viscosidad del lubricante , qué se refiere a su temperatura sin añadir datos alguno de sobre atrás apreciaciones o condiciones. El índice de viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o se calienta. Los aceites multigrado con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites de síntesis de baja graduación SAE y de aceites mineral de altas viscosidad. La Organización de Estandarización Internacional ISO , estableció su ordenación para los lubricantes de aplicación industrial , o a la Sociedad de

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos Ingenieros de Automoción -Society of Automotive Engineers- (SAE) de los Estados Unidos , creo su escala de denominación para definir rangos de viscosidad en lo lubricantes de automóviles

Clasificación SAE: La Sociedad de Ingenieros de Automotores de EE.UU.(SAE) clasificó a los aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100 grado centígrado y manteniendo la viscosidad en centistoke (cst). Se dividió el rango total de viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 20, 30, 40 y 50, originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido. Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos. Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya existentes. Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite, posteriormente con el advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que caracterizan al aceite también por sus propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20 S1, etc.) como tener capacidad detergentedispersante, propiedades antidesgaste, propiedades anticorrosivas, etc.

Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96) Grado Viscosidad SAE

Max.

(cP) Max. (cP) en

Arranque

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Viscosidad Viscosidad Bombeo a cSt

Viscosidad alta

@ temperatura

en frío a la baja temp. 100ºC

alta tasa de

temperatura s/esfuerzo

corte (cP) a

indicada en de

150ºC

ºC

106s

fluencia a

y

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos la

Temp.

indicada en ºC 0W

3250 a -30

60000 a - 3,8 -

-

40 5W

3500 a -25

60000 a - 3,8 -

-

35 10W

3500 a -20

60000 a - 4,1 -

-

25 15W

3500 a -15

60000 a - 5,6 -

-

25 20W

4500 a -10

60000 a - 5,6 -

-

20 25W

6000 a -5

60000 a - 9,3 -

-

15 20

-

-

5,6

menor 2,6

que 9,3 30

-

-

9,3

menor 2,9

que 12,5 40

-

-

12,5 menor 2,9 (*) que 16,3

40

-

-

12,5 menor 3,7 (**) que 16,3

50

-

-

16,3 menor 3,7 que 21,9

60

-

-

21,9 menor 3,7 que 26,1

Nota: 1 cP = 1 mPa x s; 1cSt = 1 mm2/s (*) Los Grados 0w/40, 5w/40, 10w/40 (**) Los Grados 15w/40, 20w/40, 25w/40, 40

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Aceites multigrado Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y partiendo de bases refinadas es posible formular aceites cuya viscosidad a altas y bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos del servicio. De esta manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100 ºc y SAE 10W a 20ºc, son los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares. Las ventajas de usar aceites multigrados son: 

Facilidad de arranque en frío.



Rápida entrada en régimen térmico del motor.



Ahorro de baterías y sistemas de arranque.



Adecuada viscosidad en todo el rango de temperatura.

Clasificación de viscosidad ISO para industriales aceites lubricantes A lo largo del tiempo se ha adoptado diferentes siglas (ASTM, DIN, etc. ) para clasificar los Aceites Lubricantes Industriales por su viscosidad medida en diversas unidades, llevando a la necesidad del uso de tablas de conversión para pasar de un sistema a otro. Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la Organización Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para crear un único sistema de clasificación.

Sistema ISO de clasificación según la viscosidad para aceites industriales Grado de Viscosidad Límites de Viscosidad viscosidad Cinemática Cinemática en cSt @ 40 media

ºC Mínima

Máxima

ISO VG 2

2,2

1.98

2,42

ISO VG 3

3,2

2,88

3,52

ISO VG 5

4,6

4,14

5,03

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos ISO VG 7

6,8

6,12

7,48

ISO VG 10

10,0

9,00

11,00

ISO VG 15

15,0

13,50

16,50

ISO VG 22

22,0

19,80

24,20

ISO VG 32

32,0

28,80

35,20

ISO VG 46

46,0

41,40

0,60

ISO VG 68

68,0

61,20

74,80

VG 100,0

90,00

110,00

VG 150,0

135,00

165,00

VG 220,0

198,00

242,00

VG 320,0

288,00

352,00

VG 460,0

414,00

506,00

VG 680,0

612,00

748,00

VG 1.000,0

900,00

1100,00

VG 1.500,0

1.350,00 1650,00

ISO 100 ISO 150 ISO 220 ISO 320 ISO 460 ISO 680 ISO 1.000 ISO 1.500

Nota: La clasificación ISO corresponde a la norma COVENIN 1121 Este esfuerzo conjunto permitió el nacimiento de la clasificación ISO para Aceites Lubricantes Industriales, con las siguientes características:

cubriendo la totalidad del rango de viscosidad, desde los aceites más livianos a los mas pesados.

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viscosidad cinemática media +/- 10% de este valor. ada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la correspondiente al grado anterior.

Sistema de clasificación API Motores a gasolina Algunas designaciones son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH. El primero usado para motores a gasolina y Diesel.

Clasificación API (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor

Clasificación Gasolina Servicio Descripción de de

servicio

API

API

los

fabricantes

previo

de

equipos

y

especificaciones militares relacionadas Gasolina

SA

ML

Aceite

mineral

puro SB

MM

Aceite inhibido (1930)

SC

MS (1964)

Garantía de servicio para motores a gasolina (19641967)

SD

MS (1968)

Garantía de servicio

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos para motores a gasolina (19681971) SE

Garantía de servicio para motores a gasolina (19721980)/MILL-46152 y MILL46152A

SF

Garantía de servicio para motores a gasolina (19801988)/MILL-46152B

SG

Garantía de servicio para motores a gasolina (19891992)/ MIL-L46152D

SH

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Garantía

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos de servicio para motores a gasolina (199319996) SJ


SL


AL GUNOS DE LOS MEDIDORES DE VISCOSIDAD CONOCIDOS

Viscosímetro Es un instrumento para medir la viscosidad de un fluido

Viscosímetro de tubo capilar Consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad ctte. el sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión. La magnitud de la caída de presión está relacionada con la viscosidad del fluido mediante la siguiente ecuación:

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El viscosímetro Saybolt: La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad , este es el principio por el cual está basado el viscosímetro universal. La muestra del fluido se coloca en el aparato después de que se establece el flujo se mide el tiempo requerido para colectar 60 ml. de fluido. El tiempo resultante se reparta como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt. La expresión aproximada entre viscosidad y segundos Saybolt es: se expresa en stokes y t en segundos.

Viscosímetro de Oswald- cannon-Fenske: En esencial el viscosímetro es un tubo “U” una de s us ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido él deposito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para llevar acabo estas pruebas estándar dado en los estándar de la American Society For Testing and Materials.

Viscosímetro de cilindro concéntrico Por medio de un cilindro que gira a una cierta velocidad con respecto a un cilindro interno concéntrico estacionario se determina du/dy al medir el momento de torsión sobre el cilindro estacionario es posible calcular el esfuerzo cortante. El cociente entre el esfuerzo cortante y el cambio de velocidad expresa la viscosidad. Si la velocidad de rotación es N rpm y el radio es r2 , la velocidad del fluido en la

superficie

2

del

cilindro

externo

esta

dada

por

r2N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro

La ecuación se basa en b<< r2. El momento de torsión Tc sobre el cilindro interno se mide con un alambre de torsión del cual pende el cilindro. Si se ajusta un disco al alambre su rotación es determinada por una aguja fija. Si se

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VISCOSIDAD: Viscosidad de Fluidos desprecia el momento de torsión debido al fluido por abajo del fondo del cilindro interno el esfuerzo cortante es: De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda:

Viscosímetro de caída libre Consiste en varios tubos llenos con líquido “estandares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos. Para esta practica utilizaremos el método de STOKES para la obtención de la viscosidad. Sr. Jeorge Grabiel Stokes Matemático y Físico Irlandés Bornat. Skreen 1819. Autor de trabajos en Hidrodinámica, encontró la Ley que rige la caída de sólidos esféricos en el seno de un fluido denominada con su nombre.

Stokes Símbolo “st”; Es una unidad de la viscosidad cinemática de un fluido que tenga una viscosidad dinámica de 1 poise, y una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico.

PROCEDIMIENTOS 1. Con la ayuda del densímetro se determina las densidades de los líquidos y se anota en la tabla Nº01 2. Se vierte agua (destilada) con una pipeta por la rama ancha del viscosímetro hasta llenar las ¾ partes del bulbo mayor. 3. Se aspira con la bomba manual el agua por la rama del bulbo menor hasta que el agua llene el ensanchamiento y llegue a un nivel ligeramente superior a la señal A. 4. Se deja fluir el agua. Cuando su nivel pasa por A, se empieza a cronometrar el tiempo que tarda ésta en llegar a la marca B que indica el vaciado del líquido. Se realizan las medidas necesarias. (anotar en la tabla Nº 01).

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5. Se limpia y se seca el viscosímetro para repetir el experimento con los líquidos problema. En igualdad de condiciones, y anotando el tiempo que tarda en realizarse el vaciado de cada liquido en la tabla Nº 01. 6. Se realizan al menos tres medidas. Con los valores medios de los intervalos de tiempo y empleando la ecuación (4), se determinan la viscosidad dinámica y cinética del líquido problema. En la tabla Nº 02. Tabla Nº 01 Tiempo de escurrimiento N°

Líquidos

Densidad (kg/m3)

1°

2°

3°

medida

medida

medida

Promedio tiempos

T (°C)

(s)

Tabla Nº 02 p Líquidos

T (s)

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Kg/m3

n g/cm3

n

(mPa.s)

(cPoise)

(g/m.s)

(cg/cm.s)

(stokes) (m2/s)

(cm2/s)

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IV. SITUACIONES PROBLEMÁTICAS 1. Averigüe y determine de acuerdo a las Tablas 1 y 2 la Viscosidad relativa para cada fluido, con relación al fluido de referencia.

2. Indique si afecta el experimento que el viscosímetro no se encuentre perfectamente vertical, explique brevemente.

3. ¿Cómo afecta la temperatura en la viscosidad de los líquidos analizados?

4. La viscosidad de la sangre disminuye al aumentar el gradiente de presión? ¿En qué proporción aumenta el flujo sanguíneo si se duplica el gradiente de presión?

5. ¿La sangre puede considerarse un fluido no newtoniano? Explique.

6. En caso de que una persona sufra de shock. ¿Aumenta o disminuye la viscosidad de la sangre?

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V. CONCLUSIONES: 

Se determino correctamente los diferentes líquidos con los que se realizo los experimentos.



Se aprendió el uso correcto de lo que es el tubo de OSTWALD.



Se evaluó la viscosidad de los diferentes líquidos de los cuales tomamos como muestra.

VI.BIBLIOGRAFÍA: 

http://www.docencia.unt.edu.ar/bioquimicafisica/Teorias/6%20%20Viscosidad.pdf



http://www.lawebdefisica.com/apuntsfis/fluidosge/



http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad

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