Se derrite en tu viscosímetro, no en tu mano Teach article

Traducido por Andrea Uroz Santos. Enseñar la viscosidad puede ser endulzado usando chocolate.

Imagen cortesía de serg_dibrova

El chocolate es uno de los pocos alimentos que permanece en estado sólido a temperatura ambiente pero que se derrite fácilmente a la temperatura corporal. Este peculiar comportamiento se debe a la manteca de cacao, una sustancia grasa obtenida de las semillas del cacao, que es sólida por debajo de los 25ºC pero líquida a 37 ºC.

Como miles de niños alrededor del mundo  podrían asegurar, la calidad del chocolate es una cuestión importante. Cuando el chocolate es líquido su calidad se determina principalmente por su viscosidad. En este artículo presentamos un método, diseñado por nuestros estudiantes, para medir la viscosidad del chocolate usando un viscosímetro construido a partir de materiales sencillos y fáciles de encontrar.

Después de construir el aparato, lo que debería llevar 2-3 horas, éste se puede utilizar para medir la viscosidad del agua, del almíbar, de la miel y del chocolate, y comparar los valores con los datos publicados.

La viscosidad

La viscosidad de líquidos y gases se define como la resistencia del material a la deformación producida por una tensión, que viene determinada por la fricción entre las partículas del material. Cuanto más espeso es un material, mayor es su viscosidad. Según la ley de Poiseuille, la viscosidad de un fluido que sale de una jeringuilla  (entendiendo que el flujo del líquido es laminar y no turbulento, imagen 1) se calcula como:

ŋ = πr4ρt / 8V

donde:

ŋ es la viscosidad

r es el radio de la boquilla de la jeringuilla

ρ es el peso específico del fluido, donde ρ = dg, d  es la densidad del fluido (d = m / V) y g es la aceleración de la gravedad (9.8 ms-2)

t es el tiempo que tarda el fluido en salir de la jeringuilla

V es el volumen del fluido (en nuestros experimentos usamos 60 ml para todos los fluidos).

La viscosidad se mide con un instrumento especial llamado viscosímetro. La unidad de medida de viscosidad es el Poiseuille (Pl), y es equivalente a un Pascal segundo. 1 Pa s = 1 N m–2 s = 1 kg m−1 s−1. También se usa como unidad el poise (P) = 0.1 Pa s.

Figura 1: Flujo turbulento (A) y flujo laminar (B)    

Construyendo un viscosímetro

El siguiente experimento explica cómo construir un viscosímetro (figura 3) con el método que desarrollamos con nuestros estudiantes. La idea central fue propuesta por los alumnos, que se preguntaron, dada la ley de Poisseulle,  cómo podíamos construir un viscosímetro con materiales cotidianos. El aparato en cuestión tenía que ser capaz de medir la viscosidad a distintas temperaturas. Decidimos desarrollar un viscosímetro de embudo, ya que el color oscuro del chocolate hace que un viscosímetro de caída de bola – el cual mide el tiempo que tarda una bola de volumen conocido en caer a través de un líquido – sea completamente inadecuado.

Figura 2: Una representación
del diseño experimental que
muestra el termómetro en el
baño de agua (A), el
termómetro en la jeringuilla
(B) y el aislamiento de
espuma de poliestireno (C).

Materiales

  • Una jeringuilla de 60 ml con una boquilla de 2,5 cm de longitud
  • Una botella de champú vacía, de 7 cm de diámetro y más larga que la jeringuilla
  • Material aislante de poliestireno
  • Papel de aluminio
  • Dos termómetros que midan entre 0 y 100 ºC
  • Un método para sujetar de forma segura el aparato por encima del vaso de precipitados. Esto se puede hacer con  una estructura diseñada y montada por los estudiantes, ya sea un conjunto de soportes y pinzas o simplemente dos pilas de libros.
  • Cúter o tijeras
  • Cinta adhesiva
  • Un vaso de precipitados con escala de volumen en el exterior.
  • Una balanza que mida incrementos de 0.1 g
  • Plastilina
  • Calibres o una regla

Procedimiento

  1. Mide el tamaño interior de la boquilla de la jeringuilla usando calibre o regla, o anota la descripción del fabricante.
  2. Quita el tapón de la botella de champú.
  3. Usa el cúter o las tijeras para cortar la base de la botella de champú.
  4. Invierte la botella de manera que el cuello esté hacia abajo.
  5. Mete la jeringuilla, con la boquilla hacia abajo, por el cuello de la botella de champú.
  6. Sella la boquilla de la jeringuilla y el espacio entre ella y la botella de champú usando la plastilina.
  7. Corta la espuma aislante para conseguir tres piezas con medidas: 30 cm x 30 cm x 5 cm.
  8. Coloca los bordes largos de las tres piezas de espuma juntos para formar un tubo triangular y pégalos con cinta adhesiva.
  9. Coloca el conjunto jeringuilla-botella dentro del tubo de espuma aislante.
  10. Envuelve la construcción con papel de aluminio.
  11. Corta un trozo pequeño de espuma aislante para encajar sobre la parte superior de la construcción jeringuilla-botella y haz dos agujeros para los termómetros. Uno de ellos irá al interior de la jeringuilla y el otro irá entre la jeringuilla y la botella de champú.
  12. Inserta los termómetros por estos agujeros de la espuma (imagen 2).
  13.  El dispositivo experimental completo debe colocarse sobre la base para que la boquilla de la jeringuilla apunte verticalmente hacia abajo.
  14. Coloca el vaso de precipitados en la balanza y tárala a cero.
  15. Coloca la balanza bajo el dispositivo experimental de manera que la jeringuilla apunte al vaso de precipitados.

Usando el viscosímetro

Figura 3: El dispositivo real

La construcción real del viscosímetro por los estudiantes ya es una lección experimental muy valiosa. En el siguiente paso los alumnos se enfrentan a preguntas de investigación importantes sobre la función del agua en la botella de champú como baño maría y a la necesidad de usar un par de termómetros para asegurarse de que se alcanza el equilibrio térmico entre el líquido medido y el baño maría.

Materiales

  • El viscosímetro, tal como se describió arriba
  • Otra jeringuilla de 60 ml con una boquilla larga de 2.5 cm (idéntica a la usada en el viscosímetro)
  • Balanza
  • Agua (suficiente para llenar la botella de champú)
  • Hervidor  u otro calentador de agua
  • Vasos de precipitados de vidrio (uno por cada líquido a estudiar)
  • Cronómetro o teléfono móvil con la función de cronómetro
  • Diferentes líquidos a estudiar: pueden usarse agua,  miel, almíbar, chocolate con leche y  chocolate negro. El chocolate blanco no debería usarse en el experimento ya que los emulsionantes usados pueden hacer que coagule, lo que impide que el chocolate líquido fluya.

Procedimiento

  1. Calienta el agua y viértela en la botella de champú del viscosímetro.
  2. Pesa la jeringuilla vacía en la balanza.
  3. Calienta el líquido que se va a estudiar.
  4. Pon 60 ml del líquido caliente en la jeringuilla extra.
  5. Pesa la jeringuilla llena.
  6. Resta el peso de la jeringuilla vacía del peso de la jeringuilla llena para obtener la masa del fluido. Teniendo en cuenta el volumen del fluido, se puede estimar la densidad del fluido usando la ecuación: d = m / V.
  7. Usa la densidad del fluido para calcular el peso específico del fluido.
  8. Después de comprobar que la jeringuilla está fijada en el aparato, transfiere el líquido caliente a esta jeringuilla.
  9. Coloca la tapa de espuma sobre el viscosímetro y espera a que la temperatura del baño de agua y la del líquido caliente se igualen.
  10. Quita la plastilina de la boquilla de la jeringuilla para que el líquido pueda empezar a fluir. Pon en marcha el cronómetro.
  11. El líquido fluirá hacia el vaso que se encuentra debajo de la jeringuilla y la balanza medirá la masa del líquido liberado.
  12. Usa la balanza para determinar cuándo ha salido todo el líquido del viscosímetro. Cuando esto haya ocurrido, para el cronómetro.
  13. Anota el tiempo que ha tardado el líquido en fluir por el viscosímetro.
  14. 14. La viscosidad  puede ya calcularse usando la ley de Poiseuille.

Medidas experimentales y cálculos

Experimento 1

Los estudiantes pueden medir los valores de viscosidad para diferentes materiales a dos temperaturas distintas (20 ºC y 80 ºC) y clasificar los líquidos por orden creciente de viscosidad. Se puede discutir sobre las causas de las diferentes viscosidades de los líquidos.

En las figuras 4 y 5, y en las tablas 1 y 2, se muestran los resultados de nuestros estudiantes.

Figura 4: La viscosidad de distintas sustancias a 20 ºC 
Figura 5: La viscosidad de distintas sustancias a 80 ºC
Tabla 1: La viscosidad de distintas sustancias a 20 ºC
Sustancia Tiempo de flujo t (s) Viscosidad n (Pa s)
Agua 4.2 0.07
Almíbar 6.3 0.5
Sirope de caramelo 23.5 1.9
Miel 32.5 2.5
Tabla 2: La viscosidad de distintas sustancias a 80 ºC
Sustancia Tiempo de flujo t (s) Viscosidad n (Pa s)
Agua 2.3 0.05
Miel 4.5 0.3
Chocolate con leche 38.0 2.3
Chocolate negro 43.0 2.8

Experimento 2

Pida a sus estudiantes que midan los valores de viscosidad de chocolate, miel y  agua a cinco o más temperaturas distintas para estudiar el cambio de la viscosidad frente a la temperatura.

El tiempo que tarda el agua, la miel y el chocolate en pasar a través del viscosímetro a diferentes temperaturas, junto con sus valores calculados de viscosidad, se muestran en las tablas 3, 4 y 5, respectivamente. En la figura 6 se pueden ver los cambios en la viscosidad de estos fluidos en función de la temperatura.

Figura 6: La variación de la viscosidad frente a la temperatura para chocolate negro, miel y agua.
Tabla 3: Valores experimentales del  tiempo de flujo y la viscosidad que fueron calculados para el agua
Temperatura Θ (°C) Tiempo de flujo  t (s) Viscosidad n (Pa s)
30 4.207 0.07
40 3.92 0.06
50 3.5 0.06
60 3.05 0.05
70 2.73 0.04
80 2.3 0.04
Tabla 4: Valores experimentales del  tiempo de flujo y la viscosidad que fueron calculados para la miel
Temperatura Θ (°C) Tiempo de flujo  t (s) Viscosidad n (Pa s)
35 30 2.3
45 24.38 1.9
50 17.5 1.3
55 15.5 1.2
60 7.1 0.5
Tabla 5: Valores experimentales del tiempo de flujo y la viscosidad que fueron calculados para el chocolate
Temperatura Θ (°C) Tiempo de flujo  t (s) Viscosidad n (Pa s)
40 800 52.6
50 660 43.4
60 590 38.8
70 480 31.6
80 43 2.8

Más preguntas

Para ampliar esta actividad, puede hacer preguntas adicionales a sus estudiantes tales como:

  1. ¿Cuál es el rango de valores de viscosidad para diferentes materiales a 20 ºC y a 80 ºC? ¿Por qué parece que el chocolate negro tiene una viscosidad más alta que las otras sustancias?
  2. ¿Qué se puede concluir sobre la dependencia de la viscosidad con la temperatura?
  3. ¿Tienen el chocolate o la miel una viscosidad mayor a 80 ºC? Intenta documentar tu respuesta basándose en una búsqueda bibliográfica.
  4. ¿Coinciden los valores de viscosidad encontrados experimentalmente para el agua, la miel y el chocolate con los valores que aparecen en tu búsqueda bibliográfica? Si hay algunas discrepancias, ¿puedes dar alguna explicación?

La viscosidad del chocolate

El chocolate fundido representa una mezcla densa de sacarosa recubierta de fosfolípidos  y partículas de cacao en grasa líquida. Debido a esto, la viscosidad del chocolate sigue un patrón complejo que se describe como no-Newtoniano.  Se requiere una fuerza particular para que el chocolate empiece a fluir; una vez que el fluido empieza a discurrir, cuando esta fuerza aumenta, el fluido se aclara.

Básicamente hay dos parámetros que describen cómo fluye el chocolate. El primero es el límite de elasticidad, la fuerza que el chocolate necesita para empezar a fluir. El segundo parámetro es la viscosidad plástica, la cual está relacionada con la energía que necesita el chocolate para mantenerse en movimiento a velocidad constante  (Beckett, 2000).

Entender cómo fluye el chocolate no es solo una interesante lección para los estudiantes sino también, claro está, una cuestión muy importante para los fabricantes de chocolate.

Agradecimientos

Expresamos nuestra más profunda gratitud a nuestros estudiantes Zoe Efthimiadou, Viktoria Kelanastasi y Aggeliki Kosma, por su rigor, sus ideas brillantes y su trabajo duro.

También queremos agradecer a los profesores KG Efthimiadis, H Polatoglou y K Melidis del Departamento de Física de la Universidad Aristotle, Thessaloniki, Grecia, por sus útiles sugerencias.

Finalmente queremos expresar nuestro más profundo agradecimiento a Mr N Kyriakides, un padre que llevó a cabo la tarea de construir la base de metal sobre la que se construyó todo el aparato.

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References

Author(s)

La Dra Claire Achilleos es profesora de ciencias en el 1er Model Lyceum de Thessaloniki “Manolis Andronikos”, Grecia. El Dr Stylianos Friligkos, que trabaja como director en el mismo colegio, también está especializado en la enseñanza de las ciencias.

1er Model Lyceum de Thessaloniki “Manolis Andronikos” pertenece a un tipo especial de colegios Griegos llamados  colegios modelo (o experimentales). La misión específica de estos colegios, dotados de personal altamente cualificado, es diseñar y poner en marcha programas educativos innovadores así como desarrollar investigaciones educativas en estrecha cooperación con universidades.

En este marco, por ejemplo, los profesores de ciencias del colegio han organizado durante cuatro años consecutivos el Concurso de Experimentos Científicos Creativos ( Creative Science Experiments Contest) para estudiantes de cursos bajos y superiores de la Región Central de Macedonia. En estos concursos, los estudiantes desarrollan experimentos diseñados para ser realizados con materiales cotidianos de modo que se fomente la creatividad e imaginación. Además, el Dr Friligkos trabajó durante dos años como Coordinador Nacional para Grecia del programa EU NANOPINION, llevando un considerable impulso y experiencia al colegio.


Review

Los profesores de ciencias siempre están buscando nuevas e innovadoras formas de involucrar a los estudiantes en el aprendizaje sobre nuestro mundo. En este caso, este es un mundo de comida sabrosa. Usar un alimento popular –chocolate y miel- para la enseñanza de la Física es siempre de interés.

Este experimento también anima a la resolución de problemas, ya que el equipo es construido por los propios estudiantes.

Ya que los alimentos son tradicionalmente una materia integrada en los currículos de economía doméstica, biología, química y física, este artículo podría aportar alguna idea a los profesores para la colaboración entre estas asignaturas. Las clases de diseño y tecnología también podrían involucrarse para la construcción del equipo.


Dr Ingela Bursjöö, Johanneberg School y Universidad de Gothenburg, Suecia




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