De acordo com Brunetti (2008), a viscosidade é uma propriedade representada pela dificuldade de um fluido escoar ou escorrer. Cada fluido, em dadas condições, possui um valor diferente de viscosidade. Variando-se a pressão ou temperatura do fluido, a viscosidade também mudará. A viscosidade do fluido é decorrente da forte ligação entre as moléculas e suas interações.
A Figura 5a apresenta duas placas paralelas que são separadas por um fluido, a uma distância AB, sendo a placa inferior fixa. Quando uma força externa (F) é aplicada na placa
superior, uma tensão de cisalhamento ocorre sobre a superfície superior do fluido, fazendo-o escoar. Cada camada de fluido faz surgir uma tensão de cisalhamento sobre a camada inferior a ela, mostrado na Figura 5b (VILANOVA, 2011).
O fluido, em contato com uma superfície sólida, tem a mesma velocidade que a própria superfície. A Figura (5a) mostra que a velocidade (v) varia linearmente, crescendo do zero na camada ao lado da placa fixa até vo na camada da placa superior, onde vo é igual a velocidade
da placa superior (STREETER; WYLIE, 1982).
Figura 5. Comportamento de um fluido entre placas paralelas (BRUNETTI, 2008).
Segundo Streeter e Wylie (1982), a Equação 2 representa a lei de Newton aplicada à viscosidade, onde τ equivale a tensão de cisalhamento, µ é a constante de proporcionalidade ou viscosidade do fluido e du/dy expressa a variação da velocidade, divida pela distância percorrida. O gradiente de velocidade du/dy também pode ser entendido como a velocidade na qual uma camada de fluido se move em relação à outra camada adjacente.
𝜏 = µ 𝑑𝑢 𝑑𝑦
Fox e McDonald (2001) dizem que um fluido, ao ser submetido a uma tensão de cisalhamento, experimenta uma taxa de deformação ou uma taxa de cisalhamento dada por
du/dy. Os fluidos que apresentam tensão de cisalhamento diretamente proporcional à taxa de
deformação, são conhecidos como fluidos newtonianos. Se o fluido não possuir tensão de cisalhamento diretamente proporcional à taxa de deformação, é conhecido como fluido não newtoniano.
A viscosidade é a resistência que um fluido tem ao escoamento e varia com a temperatura e pressão. A variação da pressão possui pouca influência no valor da viscosidade, ou seja, se aumentamos a pressão, a viscosidade aumenta pouco. Entretanto, a variação da temperatura é mais influente na viscosidade. Se aumentarmos a temperatura do líquido, a viscosidade diminui. (2)
Em alguns trabalhos de engenharia, é comum desprezar a variação da viscosidade devido à variação da pressão. Porém, esta regra não pode ser aplicada de forma global (WHITE, 2011). A viscosidade dos gases e dos líquidos possui comportamento diferente em relação a temperatura. A viscosidade dos líquidos diminui com o aumento da temperatura, enquanto que a viscosidade dos gases cresce com o aumento da temperatura (BRUNETTI, 2008).
O comportamento dos fluidos divide-se em newtonianos e não newtonianos. A Figura 6 apresenta a classificação dos fluidos de acordo com seu comportamento nas variações de condições.
Figura 6. Fluxograma da classificação do comportamento de um fluido. Fonte: Adaptado de Raguzzoni (2007).
Os fluídos não newtonianos não seguem a equação da lei de resistência enunciada por Newton, ou seja, a tensão de cisalhamento não é diretamente proporcional à taxa de deformação. Nos fluidos newtonianos, o aumento da tensão de cisalhamento ou força externa, provoca um aumento proporcional na taxa de deformação (WHITE, 2011).
Steffe (1996) cita alguns exemplos de fluidos que apresentam comportamento newtoniano. São exemplos citados: ar, gasolina, água, mercúrio, creme de café, óleo vegetal, glicerol, glicerina, mel, alcatrão, acetona, etanol, ácido acético, dentre outros.
A unidade de medida da viscosidade absoluta, no sistema métrico, é o poise (1 poise = 1 g/(cm.s) e no sistema internacional é o Pa.s (1 Pa.s = 1 N.s/m² = 1 kg/(m.s)). A viscosidade cinemática, representada pelo símbolo v, é a razão entre a viscosidade absoluta e a massa específica do fluido. A unidade de medida da viscosidade cinemática, no sistema métrico, é o stoke (1 stoke = 100 cSt = 1 cm²/s) (FOX; MCDONALD, 2001).
2.4.1 Fluidos não newtonianos
O fluidos não newtonianos são dividos em independente do tempo, dependente do tempo e viscoelásticos. Nos fluidos independentes do tempo, a viscosidade do fluido não depende do tempo de atuação da tensão. Podem ser categorizados em pseudoplástico, dilatante, fluidos plásticos, entre outros.
De acordo com White (2011), os pseudoplásticos são os fluidos em que a viscosidade diminui com o aumento da tensão aplicada. Fluidos com comportamento pseudoplástico também são denominados de fluidos plásticos. Essa característica pode ser encontrada em soluções de polímeros, polpa de papel em água, tinta latex, plasma sanguíneo, xarope e melados.
Shiroma (2012) também diz que os fluidos pseudoplásticos, quando em repouso, apresentam moléculas em um estado desordenado e que aumentando a tensão, as moléculas ficam alinhadas, diminuindo assim a viscosidade.
Os fluidos onde a viscosidade aumenta com o aumento da taxa de deformação, são conhecidos como fluidos dilatantes. Alguns exemplos são a suspensão de amido, a água com areia e a areia movediça. A areia movediça tende a endurecer quando é agitada (FOX; MCDONALD, 2001; WHITE, 2011).
Fluidos plásticos ou de Bingham necessitam de uma tensão de escoamento para atingir o fluxo. Abaixo da tensão de escoamento o material apresenta características sólidas (STEFFE, 1996). White (2011) cita alguns fluidos plasticos, sendo suspensões de argila, onde na suspensão o soluto não se dissolve no solvente, lama de perfuratrizes, pasta de dente, maionese, mostarde, chocolate, entre outros.
Nos materiais dependentes do tempo, a viscosidade depende da tensão de cisalhamento e do intervalo de aplicação da tensão. A resposta do fluido a tensão aplica é instantânea e o comportamento dependente ocorre devido à mundaça na estrutura do próprio fluido (STEFFE, 1996). Os fluidos dependentes do tempo são classificados em reopéticos e tixotrópicos.
Segundo Shiroma (2012), fluidos tixotrópicos são os fluidos que a viscosidade diminui com o tempo de aplicação da tensão de cisalhamento. A redução da viscosidade, ao longo do tempo, é resultado da quebra de uma estrutura organizada no fluido, como nos pseudoplásticos. A estrutura organizada, conhecida como gel, é responsavel pelo aumento da viscosidade em repouso ou a baixas tensões. Alguns exemplos são as suspensões concentradas, as soluções proteicas, o petróleo cru, tintas, entre outros.
Os fluidos reopéticos possuem comportamento inverso aos fluidos tixotrópicos. A viscosidade aumenta com o tempo de aplicação da tensão. Ao retirar essa tensão, o material volta a viscosidade inicial (SHIROMA, 2012). A argila bentonita e a clara de ovo são exemplos destes tipos de fluidos.
Os fluidos viscoelásticos são fluidos que retornam parcialmente à sua forma original após deformados e quando a tensão aplicada é retirada (FOX; MCDONALD, 2001). Nesta classe, podem ser citados os fluidos Maxwell, Burgers e Kelvin.
Os fluidos Maxwell têm características de líquidos viscosos, com propriedades elásticas. Os tipos Kelvin são sólidos com propriedades viscosas. São fluidos que possuem propriedades elásticas e viscosas acopladas. Como exemplo, pode-se citar a massa de farinha de trigo, gelatinas, queijos, plasma sanguíneo, saliva, líquidos poliméricos, biopolímeros e goma xantana (SHIROMA, 2012).
Os tipos Maxwell contém um elemento sólido Hookeano, sendo uma mola em série com um elemento fluido Newtoniano, que é um amortecedor (RAGUZZONI, 2007). São utilizados para interpretar dados de relaxamento de tensão para líquidos viscoelásticos, particulamente líquidos poliméricos.
Os tipos Kelvin servem como ponto de partida para desenvolvimento de modelo mecânico, descrevendo o comportamento de deformação. Esse modelo possuí uma mola conectada em paralelo com um amortecedor (STEFFE, 1996).
Steffe (1996) diz também que o modelo Kelvin apresenta excelente retardo elástico, mas não é abrangente o suficiente para modelar a deformação em muitos materiais biológicos. A solução deste problema é a utilização do modelo de Burgers, que é um modelo Kelvin associado a um modelo de Maxwell, colocados em série.