Programa de Ciencias Grado: Superior
Tema: Viscosidad – Número de Reynolds
Tiempo de duración: 60 minutos
Estándares de contenido, expectativas e indicador:
- Estándar: La conservación y el cambio
- Expectativa: La materia y sus interacciones
- C.Q.2 Describe cambios en comportamiento de los estados de la materia.
- C.Q.2.4 Relaciona las propiedades de los líquidos (viscosidad, tensión superficial, acción capilar y otras) con las fuerzas intermoleculares
Objetivos: al finalizar el tema y laboratorio, el estudiante trabajará en grupo para:
- Comparar que es la viscosidad, inercia y número de Reynolds.
- Explicar que representa el número de Reynolds y cómo cambia a números más pequeños.
- Analizar e interpretar datos por medio de la observación de las reacciones químicas.
- Aplicar principios de evidencia científica para proveer una explicación sobre los efectos de los cambios del comportamiento de la materia.
Información de trasfondo:
La viscosidad de manera indirecta se estudia desde la época de los egipcios. No fue hasta mediados de los 1600, en donde las grandes contribuciones por parte de Hooke y Newton hace que se abra las puertas de investigación por otro científicos más, como Louis Stokes, Bernoullis, Navier, Reynolds y Euler.
Es a partir del concepto de la viscosidad y la teoría generada por esta sepa, el surgimiento de investigar el comportamiento de fluidos. Estudio que con el tiempo llego a llamarse reología. Ciencia que estudia la respuesta de un cuerpo ante un esfuerzo externo aplicado a él. Esta respuesta que se estudia está relacionada a la viscosidad y dependiendo de esa respuesta, uno puede decir el tipo de líquido que es (newtoniano o no-newtoniano).
La razón por la que se escoge el término newtoniano para describir el comportamiento de un líquido, es porque no fue hasta 1687, en donde Newton encontró una relación lineal entre el esfuerzo aplicado a un material y la deformación del mismo. De esta relación lineal, lo que hace variar un fluido A de un fluido B es la constante de proporcionalidad que es la viscosidad. Propiedad que solo varía con el material y temperatura en el caso de un fluido newtoniano o de comportamiento lineal. Todo fluido que no tenga este comportamiento lineal, entonces es considerado un fluido no-newtoniano.
Como hemos ya explicado, el concepto de viscosidad tiene un efecto grande en la geología, pero existe otro concepto importante traído por Galileo Galilei llamado inercia. En donde este quiere decir que todo objeto en movimiento o en reposo, no cambiara su esta actual hasta que una fuerza externa no se aplicada a él. Entre mayor sea el esfuerzo para provocar ese cambio, mayor la inercia del objeto. Teniendo esto claro, Reynolds (antes mencionado) el que con sus estudios en dinámica de fluidos, decide desarrollar una razón de inercia entre viscosidad. Este lo que genera es una idea clara de que características uno esperaría de un fluido.
Video Sugerido:
Definición de conceptos
Viscosidad Algo viscoso es adhesivo o pastoso. En este sentido, hay que subrayar que algo viscoso también suele relacionarse con el término moco pues ambos conceptos vienen a dejar patente que el elemento al que se refieren se caracteriza por ser resbaladizo, pegajoso y además glutinoso. Entre los productos más viscosos se encontrarían desde la gelatina, diversos tipos de jabones, champús, geles y demás productos de belleza. Asimismo hay que subrayar que existe un juguete que se caracteriza por su viscosidad y que es ella la que hace que desde hace décadas se haya convertido en el compañero de juegos de muchos niños. La viscosidad se refiere a la facilidad de un fluido para moverse bajo estrés o presión. Un fluido altamente viscoso se mueve con menos facilidad que un fluido de baja viscosidad. El término fluido se refiere a líquidos y gases, ya que ambos poseen esta cualidad. La predicción precisa y la medición del comportamiento de un fluido en movimiento son esencial en el diseño de plantas industriales y aparatos eficientes. Más concretamente podemos establecer que la viscosidad es la principal seña de identidad que identifica a todos y cada uno de los lubricantes existentes. Aquella además en este caso, para poder llevar a cabo la clasificación de los citados lubricantes a base de la misma, hay que determinar que está claramente determinada tanto por lo que es la temperatura como por lo que es la presión.
La viscosidad se advierte con el rozamiento que se registra entre las sucesivas capas de un fluido. Al arrastrar la superficie de un fluido, las capas inferiores se movilizan de manera más lenta que la superficie ya que son afectadas por la resistencia tangencial. La viscosidad, por lo tanto, se manifiesta en los fluidos en movimiento (donde las fuerzas tangenciales entran en acción)
Cuando la viscosidad es muy grande, el rozamiento entre las capas adyacentes es pronunciado y el movimiento, por lo tanto, resulta débil.
La viscosidad de los fluidos se mide a través del coeficiente de viscosidad, un parámetro que depende de la temperatura. Como la viscosidad se origina por la interacción intermolecular, esta propiedad se ve afectada por el calor, dado que el calor es el resultado de la energía cinética de las moléculas en un fluido. Sin embargo, el calor tiene un efecto muy diferente en líquidos y gases. Al calentar un líquido se produce una mayor separación de sus moléculas lo que significa que las fuerzas entre éstas se debilitan. En consecuencia, la viscosidad de un líquido disminuye cuando se calienta. Si calientas gas provocarás la reacción inversa. Mientras más rápido se muevan las moléculas de gas, colisionarán más entre sí, lo que provocará un aumento de la viscosidad.
Una manera de determinar la viscosidad de un líquido es arrojando algo en él y observando cuánto tiempo tarda en hundirse.
Inercia
Si pensamos en todo lo que hacemos diariamente, no es difícil entender que para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza, y para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de un cuerpo en reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo en su desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer la inercia debe aplicarse una fuerza.
Un ejemplo de inercia es cuando vamos en el auto y frenamos bruscamente; entonces nuestro cuerpo tiende a irse hacia adelante. Por el contrario, cuando el vehículo parte nos vamos hacia atrás. Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es la primera Ley de Newton, que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en reposo o se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una fuerza exterior que cambie su estado”.
Numero de Reynolds
Reynolds (1874) estudió las características de flujo de los fluidos inyectando un trazador dentro de un líquido que fluía por una tubería. A velocidades bajas del líquido, el trazador se mueve linealmente en la dirección axial. Sin embargo a mayores velocidades, las líneas del flujo del fluido se desorganizan y el trazador se dispersa rápidamente después de su inyección en el líquido. El flujo lineal se denomina Laminar y el flujo errático obtenido a mayores velocidades del líquido se denomina Turbulento.
El número de Reynolds proporciona una indicación
de la pérdida de energía causada por efectos viscosos.
Instrucciones de seguridad de la actividad:
Se sugiere que la audiencia de ser jóvenes, no se les permita interactuar con las peceras, debido el grado de viscosidad que tiene ciertos líquidos. En adición, el trabajo pueda requerir el tener que limpiar el derrame del líquido viscoso en cualquier superficie y se necesita de experiencia en el manejo del líquido.
Materiales
- 2 Peceras pequeñas (5 galones o menos)
- 2 Botecitos o Sub bugs
- Agua
- Jarabe de maíz
- Hoja de trabajo
Procedimientos
Para comenzar, se colocan las dos peceras en una superficie plana. A una pecera, se le llena con agua y la otra pecera con jarabe de maíz. Luego se coloca el botecito (Sub bugs) en la pecera de agua para que la audiencia vea la poca resistencia por parte del agua al desplazamiento del botecito, debido a la baja viscosidad del agua. Luego se repite lo mismo, pero en la pecera que contiene el jarabe de maíz, para ver la resistencia que genera un fluido de alta viscosidad o por la alta disipación de energía debido al bajo número de Reynolds.
Otras opciones:
El encontrar un botecito apropiado a veces puede ser tedioso. Para este caso, se puede utilizar 3 tubos de ensayos o probetas y llenarlos con tres tipos de fluidos. Cada fluido debe de tener al menos una viscosidad muy diferente a otra. Para saber que tan significante, con simplemente ver la diferencia entre viscosidad entre fluido, es un buen indicativo para ser una opción en el experimento. Una vez tengas los tubos y los fluidos, se necesita tres objetos idénticos y que de no ser esféricos, su diámetro mayor no sea igual o mayor al del tubo a utilizar.
Una vez estos tres materiales se tenga, entonces es simplemente verter cada uno de los fluidos en un tubo por separado y dejar sumergir los objetos a la ves para notar la diferencia en la caída. De ser muy idénticas las caídas, se puede hacer el experimento por separado y tomar el tiempo a cada uno y compararlos entre sí.
Referencias:
“Viscosidad De Los Líquidos.” Viscosidad De Los Líquidos. Web. 21 May 2012. <http://www.planetseed.com/es/node/19500>
Normas nacionales de los contenidos ciencia:
UCP.1 Sistema, orden y organización
UCP.2 Evidencias, modelos y explicación
B.2 Estructura y propiedades de la materia
B.4 Movimientos y fuerzas
Hoja de Trabajo para el estudiante: Viscosidad – Número de Reynolds
Nombre: __________________________ Fecha: ____________________ Grado: _________________ Puntuación sugerida: 25
Instrucciones generales: Lea cada pregunta a continuación y conteste las mismas utilizando el material dado, el libro de referencia, junto a la información encontrada a través del internet. Luego comparta la información con sus compañeros de clase para la discusión en grupo y clarificación de conceptos.
1.Cuál de los líquidos es más viscoso y por qué? (5 puntos) _____________________________________
- Dibuja o desarrolla un diagrama en dónde esperan que el botecito presencie mayor desplazamiento? (5 puntos) ¿En cuál de los dos casos, el botecito tiene mayor inercia y por qué? (5 puntos) _______________________________________________
3 .Qué características te dan a entender que el número de Reynolds es menor a 1? (5 puntos) __________________________________________
- Explica de forma corta porqué ocurren las reacciones químicas? (5 puntos) ___________________________________________