Viscoelasticidad Reología y Textura por Dra. Mª Jesús Hernández Lucas

No existen en el mundo real sólidos o líquidos ideales que cumplan las dos leyes que vimos anteriormente. Encontraremos algunas sustancias cuyo comportamiento se aproxime a éstos, pero desde luego no entre las derivadas de los hidrocoloides. Entre los comportamientos elástico y viscoso existen una infinidad de comportamientos intermedios. Los materiales complejos exhiben propiedades elásticas y viscosas simultáneamente: son las llamadas sustancias viscoelásticas.

El tipo de respuesta de un material depende de la escala de tiempo involucrada en el experimento. Esto quiere decir que en dos ensayos diferentes de deformación, el mismo material puede exhibir en un caso comportamiento viscoso y en otro, elástico.
Así, el alquitrán se comporta como un sólido elástico si es golpeado, pero fluye si se le abandona a su suerte sobre una pendiente. Análogamente, una bola de silicona rebota cuando choca contra una superficie dura, pero fluye si se deforma lentamente. Los vidrios de las catedrales son más gruesos en la parte inferior, porque han fluido desde que se colocaron allí. En general, cuanto más rápida sea la deformación, más cercana estará la respuesta de una de tipo elástico, y cuanto más lenta sea la primera, más cercana estará la segunda de una de tipo viscoso.

Si estuviésemos en una clase normal, os enseñaría una especie de goma rosa que venden como juguete para los niños en el Reino Unido, que se llama "silly putty". Si se hace una bola con ella, ésta bota como una pelota, pero si se deja un rato en reposo, la bola se deshace y acaba adoptando la forma del huevo de plástico que la contiene. También se puede estirar despacio o dejar gotear, pero se rompe limpiamente si somos capaces de estirar lo suficientemente rápido. Es impresionante, y convence de lo que acabo de exponer aquí, que a primera vista puede parece algo raro. A falta de esta demostración, incluiré unas fotos que ilustran un ejemplo de un material que presenta un comportamiento fluido (se puede verter del recipiente) y también una recuperación elástica tras cortarlo con unas tijeras (por encima del corte el fluido vuelve dentro del bote).

Este tipo de cosas son las que pasan con una sustancia viscoelástica, y en realidad todas son más o menos elásticas y más o menos viscosas.
Otros efectos asociados con la viscoelasticidad se ilustran en las siguientes fotografías: el fluido se ensancha a la salida de un tubo o asciende por una barra que gira inmersa en él ("efecto Weissenberg"). Estos dos efectos son debidos a fuerzas normales, que no aparecen en fluidos newtonianos ideales. No hablaremos mucho más de ellas aquí, pero es interesante que observéis ambos fenómenos (quizá no de una forma tan exagerada, pero yo veo el primero en mi gel de baño, y el segundo en geles de hidrocoloides si la velocidad de rotación es muy alta).

Volviendo a la idea anterior, en cuanto a la deformación, los términos “rápida” y “lenta” solamente tienen sentido si el tiempo de respuesta se compara con algún tiempo característico del material. Según Reiner, la naturaleza de la respuesta de un material depende del cociente entre el tiempo de relajación y el tiempo de experimentación. Este cociente se llama número de Débora (De):

El tiempo de relajación para el agua líquida es típicamente de 10-22 s, mientras que para ciertos aceites lubricantes es de unos 10-6s. En polímeros fundidos a las temperaturas habituales de procesado de plásticos, alcanza valores de unos pocos segundos. Para materiales sólidos alcanza valores extraordinariamente grandes. Por todo ello, se considera que para un sólido elástico ideal el tiempo de relajación es infinito y cero para un fluido viscoso newtoniano. Por lo tanto, cuando De sea muy grande, el material se comportará como un sólido y poseerá propiedades elásticas; y cuando De sea muy pequeño, fluirá como un líquido. Es decir, carece de sentido hablar de un sólido o de un líquido en sí mismos, ya que el número de Débora se define como un cociente de tiempos. De hecho, una montaña fluye, dentro de las escalas de tiempos geológicos, claro.
Adelantaremos que esta viscoelasticidad puede medirse de distintas formas, pero la más extendida actualmente es la que hace uso del módulo de almacenamiento, G' ("storage modulus"), y del módulo de pérdida, G'' ("loss modulus"). Ambos se miden en Pascales, como el módulo elástico, G. Los propios nombres nos dan idea de su significado. Si recordáis que en un sólido se producía una recuperación, podemos entender que la energía se conserva, ya que se vuelve a la posición inicial.
Ese módulo de almacenamiento, G' está relacionado con el comportamiento elástico del material, de manera que en un sólido ideal ambos coinciden. Sin embargo, en el caso de un fluido, la viscosidad se relaciona con el rozamiento entre las capas internas del fluido. Podéis recordar que el rozamiento estaba relacionado siempre con una disipación de energía, no se puede volver al estado inicial, y por eso tenemos un módulo de pérdida, que se relaciona con el comportamiento viscoso y en un líquido ideal es proporcional a la viscosidad.

Antes de terminar esta apartado, quisiera responder a esa pregunta que seguramente os estáis haciendo todos... ¿Y esto qué tiene que ver con lo que yo hago? ¿Dónde está la cizalla en mi vida normal? No vamos por ahí poniendo un fluido entre dos placas, ¿no? Y todo esto, ¿para qué sirve? ¡Quiero ver ejemplos!
Tranquilos, ya vendrán. Ahora sólo quería que entendieseis los conceptos físicos y sus unidades. Contestaremos, sin embargo, a las primeras preguntas. Es cierto lo de que no hacemos lo de las placas, pero sí ponemos mantequilla o mermelada en una tostada y aplicamos una fuerza tangencial a la parte superior del montoncito para extenderla sobre el pan. Lo mismo con un albañil que pone cemento en una pared con la paleta. También es tangencial la fuerza que hace la gravedad cuando intentamos hacer salir un fluido al volcar un tubo. Y ¿qué ocurre cuando hacemos girar una barra en un bote de líquido o de una pasta? La superficie lateral de la barra arrastra la pasta con una fuerza tangencial. Todo esto es cizalla, y, por tanto, la viscosidad de esas sustancias nos dará idea de su comportamiento.

Ver también: I | II