Uno de los nombres más respetados y famosos en la ciencia es el de Isaac Newton. Este personaje sentó las bases del cálculo infinitesimal y sus estudios sobre el movimiento de las cosas son hasta ahora los fundamentos de la rama de la física conocida como mecánica clásica. Entre otras cosas, Newton describió el comportamiento de algunos fluidos, como el agua, en los cuales el movimiento de sus moléculas guarda una relación directa con la fuerza o perturbación que se aplique sobre el mismo. Suena complicado, pero en realidad se trata de algo muy sencillo: el agua y algunos otros fluidos como el aire, los vinos, etcétera, se mueven lento si los agitamos lentamente y son muy dinámicos si los agitamos más rápidamente. A los fluidos que se comportan de esta manera los conocemos como fluidos newtonianos. La viscosidad, es decir, la resistencia a fluir de estos materiales, es constante mientras la temperatura también lo sea, pero cuando la temperatura aumenta, su viscosidad disminuye.
Existe otro tipo de fluidos, unos fluidos rebeldes y a los cuales poco les importa que un tal Sir Isaac Newton haya dicho que se tenían que mover de una manera en particular. A estos fluidos rebeldes los conocemos como fluidos no newtonianos. Su característica principal es que la viscosidad de éstos no es constante, sino que depende de la fuerza que se aplique sobre ellos. Como existen diferentes maneras de desobedecer a las reglas, existen por supuesto, diferentes tipos de fluidos no newtonianos.
Algunos fluidos llamados pseudoplásticos disminuyen su viscosidad mientras más fuerza se aplique sobre ellos. ¿Puedes imaginarte a un fluido que sea de este tipo? En esta categoría encontramos a algunas sustancias comunes, como la salsa cátsup. La cátsup es muy viscosa cuando no hay ninguna fuerza actuando sobre ella (por ejemplo, cuando está en reposo), pero cuando la cátsup se agita su viscosidad disminuye; es por esto que cuesta mucho trabajo hacer que la cátsup empiece a salir de la botella pero luego de unos cuantos golpes sale sin mayor problema. Otro fluido que se comporta de la misma manera es la sangre. Esta característica aunque parece muy sutil es de vital importancia, pues permite mantener un flujo sanguíneo adecuado a lo largo de una intrincada red de venas, arterias y vasos capilares de diámetro y presión variable. Si la sangre no disminuyera su viscosidad al fluir a través de los capilares, se aglutinaría, impidiendo así la irrigación correcta de los distintos órganos y tejidos.
Existe otro tipo de fluidos no newtonianos: los fluidos dilatantes. Los dilatantes se comportan de manera totalmente opuesta a los pseudoplásticos, pues en este tipo de fluidos la viscosidad aumenta cuando se aumenta la fuerza aplicada sobre ellos. Un ejemplo de este tipo de fluidos son las arenas movedizas, las cuales son una mezcla de agua y tierra suelta en la que muchos animales (y uno que otro humano incauto) mueren atrapados. Al ser un fluido dilatante, las arenas movedizas permiten que los animales o la persona que pisó sobre ellas comiencen a hundirse. Sin embargo, la desesperación de estas víctimas los hace luchar instintivamente para salir de las arenas movedizas. Cuando la víctima de esta desafortunada situación lucha con fuerza para salir con vida, en realidad está aumentando la viscosidad de las arenas movedizas, lo cual genera más resistencia, y como consecuencia, la víctima lucha con más fuerzas hasta que muere sofocado. Otro ejemplo menos dramático pero en el cual observamos el mismo comportamiento es la mezcla de fécula de maíz y agua. Más Ciencia Por México tuvo la oportunidad de participar en la Séptima Jornada de Ciencia y Tecnología del Estado de Morelos, la demostración que se hizo durante tal evento fue justamente sobre la fécula de maíz como fluido no newtoniano.
Este experimento puedes realizarlo en casa si consigues un poco de fécula o almidón de maíz, también conocido como maicena: en un recipiente mezcla dos partes de maicena con una de agua. Es decir, si colocas dos tazas de maicena, agrega solamente una taza de agua. Disuelve todo muy bien hasta que desaparezcan los grumos. Inmediatamente notarás algo peculiar de esta solución: si intentas mezclarla muy rápido, encontrarás una resistencia tremenda, pero si lo haces lentamente esa resistencia disminuye. Los fluidos dilatantes se comportan de esta manera debido a la organización de las moléculas disueltas (el almidón en este caso) en el solvente (agua). Cuando los gránulos de almidón no están sometidos a ninguna fuerza se distribuyen más o menos uniformemente en la mezcla, pero cuando se aplica una fuerza brusca sobre el fluido, los gránulos de almidón se empacan muy cerca entre sí haciendo que este líquido se comporte como un sólido por una fracción de tiempo. Considerando lo anterior podemos concluir que el comportamiento de los dilatantes depende de la concentración de moléculas en una solución, y en efecto, es así. En el siguiente vídeo de ICBIScience, Santiago López te muestra cómo preparar un fluido no newtoniano con fécula de maíz y agua.
Esta mezcla exhibe muy bien sus propiedades no newtonianas cuando las cantidades de maicena son el doble que de agua, sin embargo las proporciones pueden ser variables, ¿qué crees que suceda si aumentas la cantidad de maicena con respecto a la de agua? ¿y si aumentas la cantidad de agua en la solución? Una parte fundamental de la ciencia es la experimentación, así que si decides realizar este sencillo experimento comparte con nosotros las cantidades de maicena y agua que utilizaste, así como los resultados que obtuviste.
Las propiedades de los fluidos dilatantes han intentado aprovecharse para construir chalecos antibalas, pues con materiales de este tipo podría absorberse la energía de impacto de un proyectil, minimizando con ello el posible daño físico ante un ataque con armas de fuego.
Los fluidos no newtonianos son muy interesantes y sus aplicaciones industriales son diversas: desde la tecnología de alimentos hasta la industria petrolera; de la medicina a la fabricación de pinturas líquidas… ¡del atole de fécula de maíz, a un sistema que se comporta igual que las arenas movedizas!
Nota: Si preparas tu fluido no newtoniano puedes almacenarlo uno o dos días antes de que empiecen a crecer colonias bacterianas en él. Cuando lo deseches no lo tires en ninguna tubería, pues los gránulos de almidón se sedimentarán y como consecuencia tendrás tuberías obstruidas muy difíciles de destapar. Para desechar esta mezcla puedes hacer dos cosas: (i) colocarlo en una bolsa de plástico y depositarlo así en la basura o (ii) embarrarlo sobre una superficie, esperar a que esté completamente seco y luego rasparlo, puedes ahora desecharlo en la basura como polvo o como pedazos sólidos. ¡Que te diviertas con tu fluido no newtoniano!
Agradecemos al Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Morelos, quien nos permitió acercarnos a los niños y jóvenes mediante la actividad de los fluidos no newtonianos durante la 7ª Jornada de Ciencia y Tecnología y quienes tomaron la fotografía que encabeza al presente texto.
[hozbreak]
Acerca del autor
Gustavo Rodríguez Alonso es estudiante del doctorado en ciencias bioquímicas de la UNAM. Su proyecto está enfocado en el estudio de los genes que controlan el desarrollo de la raíz en las plantas cactáceas. Puedes encontrarlo en twitter como @RodAG_
Santiago López Pendás es el creador de ICBIScience, puedes encontrarlo en twitter como @YPendas y en Vine como Yago Pendas.