Fluídos nao-newtonianos

Os fluídos nao-newtonianos sao aquelas substancias (líquidas ou gasosas) que desafiam as leis de Newton e os princípios de nossa lógica mais elementar. Em seus trabalhos, Isaac Newton estabeleceu a existência de uma relaçao linear entre o esforço aplicado sobre um fluído e a resposta deste a esta força.

No entanto, anos depois, os cientistas descobriram com surpresa que determinados tipos de substancias se comportavam fora de toda lógica da açao e reaçao newtoniana.

Se realizamos a classica mistura de agua e amido de milho (maizena) e submetermos esta mistura a uma vibraçao constante, observaremos com surpresa que a mistura se comportara como um autêntico ser vivo, que agita seus tentaculos, uma espécie de 'monstro da maizena' surgindo em uma planície sideral.
Este estranho comportamento tem uma explicaçao relativamente singela: um fluído nao-newtoniano nao tem um valor de viscosidade definido e constante, daí sua surpreendente resposta ante os estímulos externos. O exemplo da mistura acima é muito facil de ser realizada em nossa própria casa; uma vez obtida a mistura comprovaremos um fato insólito: ao agita-la lentamente comporta-se como um fluído semi-líquido, mas ao a agitar com força se mostra dura como uma pedra. Enquanto se mexe devagar com uma colher, a mistura tera a texturade uma papinha, mas tente dar um soco e seus dedos toparao com algo tao sólido quanto uma parede.
Estas propriedades levaram os cientistas a pesquisar a aplicaçao deste tipo de fluído na fabricaçao de coletes salva-vidas, dada sua capacidade para absorver a energia de um impacto a alta velocidade e permanecer flexível em condições de normalidade. O comportamento da maizena é parecido, também, ao que tem lugar nas denominadas 'areias movediças': a mistura de areia e agua volta-se mais rígida se a vítima agita-se, mas permite certa liberdade de movimentos sempre que produzidos mais lentamente.
Pese ao que possa parecer, este tipo de substancia nao pertence à ficçao. Existem numerosos fluídos nao-newtonianos em nosso meio mais imediato, como o ketchup, a pasta de dentes ou algumas tintas. Nestes casos o comportamento é contrario ao da maizena; quando agitamos a embalagem do ketchup, por exemplo, a viscosidade do fluído diminui e o conteúdo sai com maior facilidade.
Para além dos envolvimentos praticos, o que nos fascina neste singelo experimento é a 'porrada' às leis da realidade; é como se por um momento toda a perfeiçao da leis da física viessem abaixo. Poder-se-ia dizer que os fluídos nao-newtonianos sao os únicos que nao se adaptam exatamente ao recipiente que os quer reter: se coloca-los numa chaleira nao se convertem exatamente nesta forma, se os metenuma garrafa quem sabe o que sucedera com a garrafa.

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A mistura de amido com agua, apresenta características tanto de um sólido como de um líquido Veja o video acima ou a piscina do SBT no Domingo

Se colocarmos o pé rapidamente na superfície “dura”, poderemos andar sobre ela. Mas se pisarmos por um tempo maior, nossos pés irao afundar dentro da mistura liquefeita

Amido e a agua interagem de modo que, sob pressao, a mistura se solidifique O amido com agua é uma suspensao, onde a fase dispersora é a agua, constituindo-se portanto num hidrossol
Ha suspensões coloidais como o amido com agua, por serem dilatantes, se tornam mais viscosos quando aplicamos força sobre eles. Uma explicaçao para este comportamento da mistura amido de milho e agua é que, quando a soluçao esta em repouso, os granulos de amido sao envolvidos por moléculas de agua. A tensao superficial da agua impede que ela flua completamente pelos espaços existentes entre os granulos. A almofada d'agua oferece lubrificaçao consideravel, permitindo que os granulos se movam livremente

Porém, se o movimento for abrupto, a agua é espremida para fora dos espaços entre os granulos, e a fricçao entre eles aumenta de forma drastica. Outra explicaçao dada para estecomportamento seria que as moléculas de amido de milho estao sob a forma de longas cadeias, chamadas polímeros, que se esticam quando a mistura é revolvida. Elas também podem se emaranhar, nao deslizando facilmente umas sobre as outras. Isto faria sentido se fibras esticadas oferecessem mais resistência ao movimento, similar à resistência de um elastico de borracha esticado ou uma mola sob tensao. As fibras nao estariam emaranhadas quando a mistura estivesse imóvel ou se movendo lentamente Na verdade, o movimento rapido poderia quebrar as fibras. Outro problema desse modelo é que o amido nao esta separado em moléculas individuais, mas esta na forma de granulos muito maiores (ainda que macroscopicamente muito pequenos), que sao basicamente esféricos

Sao materiais tixotrópicos, ou seja, eles se tornam menos viscosos sob açao de uma força de cisalhamento, voltando a recuperar sua viscosidade, de forma gradual, quando esta força cessa. Este efeito é dependente do tempo de observaçao

Ingredientes
Agua
Amido de Milho (Maizena)

Explicaçao e Como fazer:
Um fluido nao-newtoniano é um fluido cuja viscosidade varia de acordo com o grau de deformaçao aplicado. Como conseqüência, fluidos nao-newtonianos podem nao ter uma viscosidade bem definida. A viscosidade de tais fluidos nao é constante.
Tipos
• Dilatante: a viscosidade aumenta com o aumento datensao.
• Pseudoplastico: a viscosidade diminui com o aumento da tensao
Fluido dependentes do Tempo
• Fluido reopético: aumenta a viscosidade aparente quando a taxa de deformaçao aumenta. Por exemplo, o sangue
• Fluido tixotrópicos: diminui a viscosidade com o tempo, após a taxa de deformaçao ser aumentada. Por exemplo, tintas e esperma humano.
Embora o conceito de viscosidade seja comumente usado para caracterizar um material, ele pode ser inadequado para descrever o comportamento mecanico de uma substancia, em particular dos fluidos nao-newtonianos. Eles sao mais bem estudados através de varias outras propriedades reológicas que mostram as relações entre os tensores de tensao e de deformaçao sob diferentes condições de fluência, como a deformaçao oscilatória ou o fluxo extensional, que sao medidos através de diferentes dispositivos ou reômetros. As propriedades reológicas sao mais bem estudadas através do uso de equações constitutivas na forma tensorial, que sao comuns no campo da mecanica dos meios contínuos

Hoje de manha eu estava tomando um café e vi um dos meus alunos comprando o todo amado e delicioso salgado nosso de cada dia, cheio de gordura trans e totalmente avesso ao que seria considerado um lanche saudavel. Bem, o café nao estava com aparência muito saudavel também. Vi o referido aluno abrir um daqueles envelopinhos de catchup, deitandoo molho no salgado que ia ser devidamente saboreado.
- Muito melhor que as garrafas, nao é? – eu disse.
- Pois é – ele respondeu. – Com o da garrafa, a gente tem que ficar sacudindo um bocado para que ele possa sair.
- É verdade – respondi. Entao, perguntei: – Qual é a semelhança entre uma garrafa de catchup, um pouco de Maizena em agua e um colete à prova de balas?
Como podem imaginar, ele me olhou como se eu estivesse completamente louco, mas nao era sua culpa. Esta na hora de abrirem o Livro dos por quês.
Estamos acostumados com o mais simples dos líquidos: a agua. Podemos coloca-la num copo e movê-la para outro copo sem problemas. Podemos fazer isso milhares e milhares de vezes e a agua sempre se comportara da mesma forma. Se eu leva-la a um congelador, a agua se solidificara a 0 ºC (zero grau celsius). Se eu coloca-la numa panela e levar o conjunto ao fogo, a agua entrara em ebuliçao a 100 ºC (desde que esteja ao nível do mar). Podemos dar socos na agua e o maximo que acontecera é espirrar agua para tudo que é lado.
Dessa forma, chamamos a agua de fluido newtoniano, isto é, um fluido em que cada componente da tensao cisalhante é proporcional ao gradiente de velocidade na direçao normal a essa componente. Simples, nao é? Este seria o ponto em que eu simplesmente poderia parar aqui e recomendar pesquisar mais no Google; mas o Livro dos por quêsse propõe a explicar as mais toscas explicações que, em última analise, nao explicam nada.
Deixem a agua escorrer por uma canaleta. Ela escoa bem, nao é? Se eu usar óleo de soja, verei que ele escorre mais devagar e se eu usar mel, a velocidade com que ele escorregara pela mesma canaleta sera muito menor, demorando muito mais tempo que a agua; é o que caracteriza a viscosidade de um líquido. Assim, quando as moléculas de uma determinada substancia sao transportadas de um lugar para o outro, entram em contato com a superfície. A força de atrito entre o s dois líquidos fara com que este ou aquele líquido demore mais ou menos para escoar. Quanto mais atrito, mais devagar sera o escoamento. Podemos ilustrar isso com uma pessoa de sapato novinho correndo por uma sala com o chao encerado. se a pessoa parar de repente, o sapato vai deslizar (e isso sera divertido). Com sapatos de solado de borracha (como tênis, por exemplo), este “escorregao” sera menor. Se a pessoa estiver apenas de meia, conseguira escorregar bem mais (e provavelmente vai cair, quebrando um braço).
É o atrito que faz com que os carros consigam fazer curvas, enquanto que aqueles que estiverem com pneus carecas tenderao a deslizar pro lado, dado o atrito muito menor.
Em nível microscópico, o que acontece é a mesma coisa. As moléculas do líquido usarao a canaleta como “pista de corrida”, onde cadauma das moléculas sera um carro de fórmula 1. Os líquidos que apresentarem maior viscosidade serao aqueles que sofrerao maior força de atrito, o que fara com que suas moléculas deslizem com mais dificuldade. A viscosidade é, portanto, uma característica de muitos líquidos, pondendo até servir como constante física. Só que é regra que todas as regras possuem exceções. Com os fluidos nao-newtonianos, as coisas nao sao tao simples assim.
Com os fluidos nao-newtonianos algumas coisas bizarras acontecem. Se dermos um soco na superfície da agua, como dito, o maximo que conseguiremos é espargir agua (e molhar o otario que estiver ao nosso lado observando). Ja no caso de um fluido nao-newtoniano, coisas bem diferentes acontecem: sua viscosidade pode ser ampliada ou reduzida. Isso significa dizer que tal fluido podera se tornar tao viscoso que se comportara como sólido, ou menos viscoso que parecera agua pura. Um exemplo de fluido cuja viscosidade aumenta ao se exercer força mecanica sobre ele? Bem, façamos o que eu chamo de The Jesus Experiment
Como puderam ver, basta que se cesse a aplicaçao da força mecanica (o mané que ficou correndo pra la e pra ca, que o fluido começa a se comportar como esperavamos que se comportasse e o distinto rapaz de óculos afunda tranquilamente que nem o Titanic. Se você quiser fazer esta experiência em casa, junte duas partes deamido de milho (Maizena) e uma parte de agua, podendo até “esculpir” formas na mistura (que se desfara assim que cessar a força aplicada). Vídeo no YouTube sobre isso é o que nao falta.
Com o catchup acontece justamente o contrario. Ele fica la na dele, paradao e sua viscosidade tende a aumentar. Quando você vira a garrafa, o preguiçoso se recusa a sair, mas quando você sacode a garrafa, você esta aplicando força mecanica sobre o fluido, fazendo com que sua viscosidade comece a diminuir, podendo escoar até o nosso fantastico e delicioso hambúrguer.
O estudo sobre este tipo de fluido é importante, pois durante a perfuraçao de poços de petróleo frequentemente encontram-se lamas cuja viscosidade diminui mediante a açao da perfuratriz. Estes sao os chamados Fluidos (ou Plasticos) de Bingham. Além disso, pesquisadores estudam alternativas ao atual sistema de coletes à prova de balas. Usando uma camada de um fluido nao-newtoniano, ao receber o impacto de um projétil, o fluido nao-newtoniano ira aumentar a viscosidade imediatamente, protegendo o a pessoa. A vantagem principal deste tipo de colete é que seria mais leve e confortavel que os atuais modelos de kevlar, mas dificilmente seriam feitos de Maizena.
Nao tive tempo de explicar tudo isso ao distinto aluno. De repente (e eu sei que estarei sendo muito otimista), ele pesquisara na internet sobre isso, podendoinclusive chegar ao Livro dos por quês.
Colete líquido à prova de balas é mais resistente que os normais
Cientistas da BAE System sao os responsaveis pelo desenvolvimento de um projeto que faz a combinaçao de fibras Kevlar com um líquido especial. O projeto pretende deixar os coletes à prova de bala muito mais leves e resistentes à impactos contra projéteis.

As fibras Kevlar sao mais comuns do que você imagina. O cinto de segurança de carros, por exemplo, tem sua essência consistida por essa fibra. Elas é um polímero que é sete vezes mais termicamente resistente que o aço e que, além do ja citado cinto, compõe também os coletes à prova de balas.

Enquanto ao líquido, é um mistério só. Ninguém sabe ao certo do que ele é composto, sabemos apenas a sua reaçao. O denominado “bulletproof custard”, quando é posto em situações de impacto ou pressao, tem suas moléculas aglomeradas, resultando em uma superfície bastante rígida. Lembra muito àquele conhecido fluido nao-newtoniano, feito por uma soluçao de maisena e agua.

Os testes foram feitos com a junçao desses dois materiais. Consistiu na comparaçao de desempenho entre um colete formado por 31 camadas de Kevlar e outro pondo apenas 10 e o líquido entreposto entre elas. A conclusao foi bastante animadora, o resultado da armadura líquida foi bem maior que a “normal”, além de ser mais leve e maleavel.