¿Qué es la Reología?

La reología es la rama de la física que estudia la deformación y el flujo de la materia, principalmente de los fluidos y semisólidos. Se enfoca en la relación entre la fuerza aplicada a un material y la respuesta de este, describiendo cómo fluye o se deforma bajo la acción de fuerzas externas.

Definición de Fluido

Un fluido es cualquier sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de una tensión tangencial (fuerza de cizalla), sin importar cuán pequeña sea esta. Una característica clave de los fluidos en movimiento es la presencia de un gradiente de velocidad, lo que significa que sus capas adyacentes se mueven a diferentes velocidades.

Comportamientos Reológicos Fundamentales

Comportamiento Elástico

Se refiere a la capacidad de un material para almacenar energía de deformación y recuperar su forma original una vez que la fuerza externa que la causó es retirada. El material se deforma, pero no fluye.

• Ejemplos: geles tópicos (Carbopol), recubrimientos de tabletas, geles oftálmicos.

Comportamiento Viscoso

En este caso, el material fluye y la energía aplicada se disipa en forma de calor. Cuando la fuerza cesa, el estado de deformación permanece; el material no recupera su forma original.

• Ejemplos: ungüentos, pomadas, suspensiones que sedimentan, inyectables viscosos.

Viscosidad: La Resistencia a Fluir

La viscosidad es una medida de la resistencia interna de un fluido a fluir o a sufrir deformaciones. Puede entenderse como la «pegajosidad» o el rozamiento entre las capas adyacentes de un fluido en movimiento. Esta propiedad es crucial, ya que determina la energía necesaria para transportar un fluido y juega un papel fundamental en la generación de turbulencia.

• A mayor viscosidad, mayor es la resistencia al flujo, lo que significa que el fluido se mueve más lentamente.
• Un fluido ideal sería aquel sin viscosidad, aunque no existe en la realidad.
• Un fluido con menor viscosidad se mueve con mayor facilidad, pero es más propenso a generar flujos turbulentos.

La viscosidad influye directamente en procesos industriales como el mezclado, bombeo, llenado de envases y en la estabilidad de formulaciones como emulsiones y suspensiones.

Medición de la Viscosidad

La viscosidad se mide principalmente de dos formas:

• Viscosidad dinámica (η): Mide la resistencia interna del fluido al flujo bajo la acción de fuerzas tangenciales.
• Viscosidad cinemática (ν): Es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido.

Ley de Viscosidad de Newton y Clasificación de Fluidos

La Ley de Viscosidad de Newton establece una relación lineal entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de deformación, donde la constante de proporcionalidad es la viscosidad. Según su comportamiento, los fluidos se clasifican en:

Fluidos Newtonianos

Son aquellos que siguen la ley de Newton. Su viscosidad es constante y no depende de la fuerza aplicada sobre ellos. Su comportamiento es predecible y simple.

• Ejemplos: agua, aire, soluciones de azúcar, aceites ligeros.

Fluidos No Newtonianos

Son aquellos cuya viscosidad varía en función de la tensión cortante aplicada o del tiempo. Su comportamiento es más complejo y se subdividen en varias categorías:

• Plásticos de Bingham: Requieren una fuerza inicial (umbral de fluencia) para comenzar a fluir. Ejemplo: pasta dental.
• Pseudoplásticos: Su viscosidad disminuye al aumentar la fuerza aplicada. Ejemplo: sangre, pintura.
• Dilatantes: Su viscosidad aumenta al aplicar una mayor fuerza. Ejemplo: una mezcla de maicena y agua.

Estática de Fluidos y Propiedades Clave

La estática de fluidos estudia los fluidos en reposo. Para describir su estado y comportamiento, se utilizan varias propiedades fundamentales.

Variables Importantes en la Mecánica de Fluidos

• Temperatura: Medida de la energía cinética promedio de las partículas del fluido.
• Densidad (ρ): Relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa (masa/volumen).
• Presión: Fuerza ejercida por el fluido por unidad de área.
• Viscosidad (η): Resistencia del fluido a fluir.
• Número de Reynolds (Re): Parámetro adimensional que predice el tipo de flujo (laminar o turbulento).

Densidad y Conceptos Relacionados

• Densidad (ρ): Es la cantidad de masa por unidad de volumen. Por ejemplo, un jarabe puede tener una densidad de 1250 kg/m³.
• Peso específico (γ): Es el peso del fluido por unidad de volumen. Se calcula como el producto de la densidad por la aceleración de la gravedad (γ = ρ · g).
• Gravedad específica: Es la relación adimensional entre la densidad de una sustancia y la densidad de una sustancia de referencia, generalmente el agua a 4°C.

Tipos de Flujo y el Número de Reynolds

El comportamiento de un fluido en movimiento, especialmente en lo que respecta a la pérdida de energía, depende de si el flujo es laminar o turbulento. El Número de Reynolds (Re) es una magnitud adimensional que permite predecir el régimen de flujo.

Este número relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas y depende de cuatro factores clave: la densidad del fluido, su viscosidad, la velocidad a la que se mueve y una dimensión característica del conducto (como el diámetro de una tubería).

Interpretación del Número de Reynolds

Para el flujo en tuberías, los regímenes se clasifican generalmente de la siguiente manera:

• Re < 2000: El flujo es laminar.
• 2000 – 4000: Es una zona de transición donde el flujo puede ser inestable.
• Re > 4000: El flujo es turbulento.

Ejemplo de Cálculo del Número de Reynolds

Se desea calcular el tipo de flujo de una solución líquida durante la producción de un medicamento que circula por una tubería.

Datos:

• Diámetro de la tubería (D): 0.02 m
• Velocidad del flujo (V): 1.5 m/s
• Densidad del fluido (ρ): 1050 kg/m³
• Viscosidad dinámica (η): 0.0012 Pa·s

Fórmula:

Cálculo:

NRe = (ρ · V · D) / η

NRe = (1050 kg/m³ · 1.5 m/s · 0.02 m) / 0.0012 Pa·s = 26250

Conclusión: Dado que el Número de Reynolds (26250) es mayor que 4000, el flujo es totalmente turbulento.

Características de los Tipos de Flujo

Flujo Laminar

• Las capas del fluido se mueven de forma ordenada y paralela, sin mezclarse entre sí.
• Es común en fluidos muy viscosos o que se mueven a bajas velocidades (Re < 2000).
• No hay turbulencia.

Flujo Turbulento

• El movimiento del fluido es caótico y desordenado, con la formación de torbellinos y una mezcla lateral intensa.
• La presión y la pérdida de energía aumentan rápidamente.
• Ocurre a altos números de Reynolds (Re > 4000).

Presión en Fluidos

La presión se define como la fuerza ejercida perpendicularmente sobre una unidad de área. Es una propiedad fundamental tanto en fluidos estáticos como en movimiento.

Tipos de Presión

• Presión absoluta: Es la presión medida con respecto al vacío absoluto. Incluye la presión atmosférica.
• Presión manométrica: Es la presión medida con respecto a la presión atmosférica local. Es la presión «extra» por encima de la atmosférica.

Presión en Fluidos Estáticos (Presión Hidrostática)

En un fluido en reposo, la presión depende de tres factores:

• La profundidad (h).
• La densidad del fluido (ρ).
• La aceleración de la gravedad (g).

La fórmula para calcularla es: P = ρ · g · h

Un instrumento común para medir la presión manométrica es el manómetro en U, que funciona comparando las alturas de las columnas de líquido que contiene.

Aplicaciones Farmacéuticas de la Reología

Los conceptos de reología, viscosidad y dinámica de fluidos son cruciales en la industria farmacéutica para garantizar la calidad, eficacia y estabilidad de los productos. Algunas de sus aplicaciones clave incluyen:

• Diseño de procesos: Optimización del mezclado, bombeo y transporte de fluidos.
• Formulación de productos: Desarrollo de emulsiones, suspensiones y geles con la consistencia y estabilidad deseadas.
• Control de calidad: Aseguramiento de la viscosidad correcta en jarabes, cremas e inyectables.
• Procesos de fabricación: Control del llenado de envases, recubrimiento de tabletas y granulación.

Etiquetas: fluido newtoniano, fluido no newtoniano, mecánica de fluidos, reología, Viscosidad