Abstract

En el mercado podemos encontrar miel de elaboración casera y comercial. La FDA sostiene que el 75 % de la que se puede comprar está adulterada y la forma más común es por adición de agua. Este producto en estado puro se comporta como un fluido viscoelástico y es susceptible de experimentar los efectos Weissenberg, Barus y Kaye, característicos de este tipo de fluidos. En este proyecto se trata de estimar a partir de qué proporción de agua de adición la miel pierde sus propiedades como fluido viscoelástico.

Abstract

In the market we can find homemade and commercial honey. The FDA claims that 75% of the honey that can be purchased is adulterated and the most common form is by the addition of water. This product in its pure state behaves like a viscoelastic fluid and is capable of experiencing the Weissenberg, Barus and Kaye effects, characteristic trait of of this type of fluid. In this project, we try to estimate approach the proportion of addition water from which the honey loses its properties as a viscoelastic fluid.

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1. Introducción.

Al intentar desplazar un fluido, un líquido o un gas, por el interior de un conducto aparece siempre, en mayor o menor medida, una resistencia de dicho fluido al movimiento. Esto es lo que se conoce como viscosidad. Un fluido con alta viscosidad va a ofrecer una alta resistencia al desplazamiento. Por el contrario, uno con baja viscosidad ejercerá poca resistencia al movimiento y por tanto se necesitará una fuerza menor para moverlo. Así, la viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia de un fluido al movimiento.

Fluidos con baja viscosidad son el aire, agua, el alcohol, la gasolina, etc. Con alta viscosidad tenemos la miel, la pasta dentífrica, champú, etc.

La ley de Newton de la viscosidad nos da la relación entre el esfuerzo de corte que hay que realizar y la velocidad de corte del fluido:

E1

Permite clasificar los fluidos en newtonianos, los que cumplen la ley, y no newtonianos, que no la cumplen. En los fluidos newtonianos al representar τ o el esfuerzo (en unidades de presión) frente al gradiente de velocidad dv/dx se obtiene una recta cuya pendiente es la viscosidad, μ.

F1.jpgGráfica 1. Rectas de fluidez (izquierda) y de viscosidad (derecha) para un fluido newtoniano.

De la ley se extrae que en los fluidos newtonianos la viscosidad, μ, es constante e independiente de la velocidad del fluido. Por el contrario, los fluidos no newtonianos no cumplen la ley de Newton ni se ajustan a esta gráfica.

Por otro lado, se dice que un fluido es viscoelástico cuando presenta a la vez propiedades viscosas y elásticas. Esta conjunción de propiedades puede ser debida a la presencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o de partículas líquidas o sólidas dispersas.

No se pueden confundir los fluidos viscoelásticos con los no newtonioanos. Estops últimos, también llamados tixotrópicos, experimentan un cambio en su estructura interna solo en el momento en el que se les aplica un esfuerzo. Esta alteración, momentánea, produce la ruptura de las largas cadenas que forman sus moléculas. Estos fluidos una vez que se les aplica un esfuerzo cortante solo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo.

Por el contrario, los viscoelásticos poseen propiedades tanto viscosas como elásticas, las primeras cumplen la ley de Newton de la viscosidad; y las segundas la ley de Hooke, igual que los resortes. Su principal propiedad es poder recuperar, al menos en parte, su forma inicial cuando cese el esfuerzo de corte aplicado durante el flujo.

La miel es un producto de consumo muy común en cualquier hogar y una de sus características físicas es la de presentar un comportamiento de fluido viscoelástico. No obstante, uno se puede encontrar con miel que no cumpla esta propiedad, especialmente en la miel comercial. De hecho, la FDA (Food and Drug Administration o Administración de Alimentos y Medicamentos) ​ que es la agencia del gobierno de los Estados Unidos responsable de la regulación de alimentos (tanto para personas como para animales), medicamentos (humanos y veterinarios), cosméticos, …  afirma que el 76 % de la miel comercial que se compra en las tiendas no es miel verdadera (Vaughn Bryant, 2011).

De hecho, en el proceso de tratamiento de la miel, es calentada, ultra-filtrada y pasteurizada para que se mantenga líquida el mayor tiempo posible y así evitar su cristalización natural. En este proceso se altera su composición química y sus propiedades físicas.

En la ultra-filtración la miel se calienta, se hace más líquida con jarabe de maíz u otros productos no relacionados con ella y después es forzada a alta presión a pasar a través de filtros extremadamente pequeños. Es en este paso donde elimina gran parte del polen, signo evidente de que es pura. En este proceso su contenido nutricional se destruye. Los antioxidantes, enzimas y vitaminas son eliminados. La miel cruda es un excelente anti-virus, anti-hongos y antibacteriana.

Muchas mieles comerciales son mezclas de miel con soluciones de glucosa o de poca calidad, con alto contenido de agua, por ser obtenidas de celdas sin opérculo (que no están tapadas con cera).

  • Olor. La miel posee un olor característico. La adulterada puede presentar un olor agrio o simplemente carecer de él.
  • Sabor. La miel pura produce un cierto ardor en la garganta.
  • Separación. La miel natural nunca se separa en capas mientas que la adulterada, después de un período de reposo tiende a hacerlo.
  • Impurezas. Cuando se trata de miel pura se pueden apreciar impurezas naturales como polen, propóleo o micropartículas de cera. Al tratar la miel comercial todos estos tipos de impurezas desaparecen.
  • Textura. El producto puro presenta un textura suave y goteo filamentoso. Una vez adulterada la textura es áspera y forma cúmulos.
  • Espumado. Sin adulterar nunca presenta espumas en su superficie. Cuando está adulterada pueden aparecer espumados.
  • Cristalización. La miel pura es líquida, pero con el paso del tiempo, tiende a solidificarse, “azucararse” o cristalizar. Se puede esperar unos días poniéndola a la intemperie para ver si se solidifica, o colocarla en la nevera para acelerar el proceso. En caso contrario la probabilidad de que se trate de miel adulterada es muy alta.
  • El etiquetado. Si en la lista de ingredientes no aparezca el “jarabe de alta fructosa” o glucosa comercial nos indica claramente que contiene aditivos con la finalidad de “estirar” la miel (impedir que esta se solidifique).

            Existen ensayos cualitativos sencillos que permiten intuir si la miel comprada es pura y de buena calidad o si, por el contrario, está adulterada o contiene mucha agua:

  • Reacción al iodo. Si al añadir dos o tres gotas de iodo la muestra se vuelve de color azul es que ha sido adulterada con harina o almidón.
  • Presencia de yeso. Añadir 4-5 gotas de ácido vinagre a una solución de miel. Hay adulteración si hace espuma y desprende gas carbónico.
  • Ensayo al fuego. Al acercar una muestra de miel en una cuchara a una llama, si se enciende y se quema, es pura. Una muestra adulterada o de poca calidad contiene agua, lo que impide que arda.
  • Capilaridad: Sobre un trozo de papel se coloca una pequeña muestra de miel. Si alrededor de la misma se forma un halo de humedad, que se extiende aumentando progresivamente su superficie, se trata de miel diluida con agua.
  • Viscosidad: La miel con alto contenido de humedad en una cuchara al voltearla se cae rápidamente. La miel madura se queda agarrada en la cuchara, o cae muy lentamente.

            En este proyecto se pretenden ensayar efectos que se dan exclusivamente en los fluidos viscoelásticos, como son los efectos Weissenberg, Barus y Kaye, para poder determinar de forma objetiva la presencia o no de agua de adición en una miel natural.

 

2. Antecedentes.

2.1. La reología.

La reología (Eugene Bingham, 1929) es la rama de la física que se dedica al estudio de la deformación y el fluir de la materia. Estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir.

Basándonos en la etimología de la palabra “reología”, se podría definir como la ciencia del flujo y se puede aplicar a materiales sólidos, líquidos o gaseosos.

Karl Weissenberg (Viena, 1893 – La Haya, 1976) fue un físico austríaco. Estudió Matemáticas, Física y Química en las Universidades de Viena, Berlín y Jena (Alemania) doctorándose en esta última en 1916. Desarrolló diversas técnicas experimentales en el campo de la cristalografía y la reología.

El efecto Weissenberg, que Karl Weissenberg descubrió y al cual debe su nombre, es un fenómeno que ocurre cuando una varilla giratoria al insertarse en un fluido elástico o no newtoniano en vez de ser empujada hacia el exterior, atrae la solución hacia ella y sube alrededor de la misma. ​La causa de este curioso efecto se debe a la tensión que en el fluido se genera alrededor de dicha varilla.

En el caso del efecto negativo de Weissenberg, es la depresión del nivel de un fluido alrededor de una varilla giratoria, que no es de origen inercial.

Los fenómenos que experimentan los fluidos viscoelásticos se deben a que durante su flujo surgen nuevos esfuerzos, tensiones extra a lo largo de una línea de corriente. Estas tensiones producen el alineamiento y estiramiento de las moléculas del polímero a lo largo de la línea de corriente.

El efecto Barus, o Die swell o de Merrington, o también conocido como ensanchamiento a la salida, consistente en un hinchamiento post-extrusión al salir el fluido a través de un orificio de reducido calibre hacia el exterior del recipiente que lo contiene.

Para explicar el efecto Barus se considera al líquido viscoelástico fluyendo hacia el orificio como un haz de hilos elásticos estirados y cuando emerge quedan libres para relajarse. La relajación produce la disminución de la longitud de los hilos, aumentando así el diámetro del haz

El Efecto Kaye es otra propiedad de los fluidos viscoelásticos que fue descrita por primera vez por el físico británico Alan Kaye en 1963. Kaye observó que mientras vertía una mezcla viscosa de un líquido orgánico sobre una superficie, la superficie repentinamente eyecta un chorro del mismo continuando la fuerza de caída en sentido inverso a la dirección de la caída misma que tendía a combinarse con el chorro que estaba cayendo. El fenómeno apenas dura tan solo 300 milisegundos.

 

2.2. La miel como bactericida.

La miel es un excelente bactericida. Prueba de este hecho es su capacidad de conservarse durante mucho tiempo, incluso décadas y que la medicina popular la empleara como desinfectante en heridas de pequeña consideración, en el tratamiento del acné o de las espinillas. La elevada concentración de azúcares parece ser la característica que le confiere la propiedad de ser un bactericida ya que genera un medio hipertónico que originaría la ruptura de las paredes bacterianas.

A pesar de esto, Sebastian A.J. Zaat y sus colaboradores (2010) descubrieron que en la miel están presentes sustancias bactericidas como el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y el metilglioxal, altamente tóxicas para las bacterias.

 

2.3. Curiosidades de los fluidos viscoelásticos.

2.3.1. Las vidrieras de la Catedral de Chartres son un fluido.

Las vidrieras de la catedral de Chartres en Francia han fluido desde que fueron producidas hace 600 años. En la época medieval estas vidrieras tenían un espesor uniforme a lo largo de toda su longitud, pero hoy en día las moléculas de vidrio han fluido por efecto de la gravedad, de manera que el espesor en la parte inferior es más del doble del espesor en la parte superior. El tiempo de observación tan grande hace que el número de Deborah¹ sea pequeño, por lo que sólidos como el vidrio se pueden clasificar como líquidos.

Como conclusión se puede decir que sustancias como el agua o el vidrio no se pueden clasificar como líquidos o sólidos, sino que, como mucho, podemos decir que tienen un comportamiento de líquido o sólido bajo unas determinadas condiciones de esfuerzo, deformación o tiempo.

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¹ Número de Débora: número adimensional que se obtiene como relación entre el tiempo de relajación característico del material y el tiempo de observación del proceso de deformación:

De = Dm/D

Se basa en el supuesto de que, si los seres humanos viviéramos lo suficiente, podríamos observar como las montañas “fluyen” por efecto de la erosión, hasta que desaparecen. Se debe a esfuerzos muy pequeños (producidos por el campo gravitatorio) aplicados por períodos de tiempo muy prolongados de observación. 

El profesor Markus Reiner dio nombre a este número gracias a una frase escrita por la profeta Deborah en la Biblia: “Las montañas fluyeron delante del Señor” (Libro de Jueces, 5:5)

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2.3.2. La hemorreología de los deportistas.

La sangre humana es un fluido de reología muy compleja ya que cuanto mayor sea el esfuerzo aplicado, menor es su viscosidad. Esta característica está relacionada con los niveles de colesterol en sangre, entre otros factores.

La sangre es un sistema que está formado por dos fases: una fase fluida (plasma) que se comporta como un fluido newtoniano y otra fase dispersa compuesta por las células sanguíneas (trombocitos, leucocitos y eritrocitos) que interactúan entre sí y con el plasma. Las membranas de las células tienen una carga eléctrica negativa y en su composición está el colesterol, lo que genera un sistema complejo cuyo comportamiento reológico varía dependiendo de las condiciones. Así, cuanto mayor es la velocidad de deformación la viscosidad disminuye.

Curiosamente, a medida que aumentan los esfuerzos, las células de la sangre (eritrocitos, fase dispersa) se orientan cada vez más en la dirección del flujo. Esta disposición opone menos resistencia al flujo y por lo tanto la viscosidad disminuye. Al cesar los esfuerzos el sistema recobra su estructura original y la viscosidad se eleva (Moreno et al., 2013).

En los deportistas el número de glóbulos rojos puede aumentar como consecuencia del entrenamiento, pero la ganancia en plasma suele ser mucho mayor lo que conlleva un descenso en el hematocrito. Es lo que se conoce como anemia del deportista o pseudoanemia del ejercicio. De esta forma la viscosidad de la sangre desciende, lo que facilita su movimiento por los vasos sanguíneos, especialmente en los capilares sanguíneos, y mejora el aporte de oxígeno y nutrientes a las fibras musculares (Legaz Arrese, A., 2000).

 

2.3.3. Mi gato es un líquido.

El 14 de septiembre de 2017 la Universidad de Harward entregó de los Premios Ig Nobel, también traducidos como premios innobles, que son una sátira de los premios de la academia sueca. Tratan de reconocer investigaciones científicas y estudios que hacen su pequeña aportación al conocimiento en las cosas más cotidianas, que “primero hacen reír y luego pensar”

El Ig Nobel de Física de 2017 recayó en un francés Marc-Antoine Fardin que investigó si un gato puede ser líquido o sólido. Sirviéndose de la física de fluidos y tras analizar numerosas imágenes de internet en los que se pueden ver a los felinos adoptando la forma del contenedor en el que se encuentran, “ya sea una jarra o un lavabo” meter al felino en todo tipo de recipientes -sin causarle el más mínimo daño-, concluyó que el gato de adapta a cualquier envase y por lo tanto un gato puede ser un sólido y un líquido a la vez (Marc-Antoine Fardin, M.A., 2014).

 

2.2.4. Duermo en un colchón viscoelástico de la NASA.

Se dice que un cuerpo es viscoelástico cuando presenta propiedades viscosas y elásticas a la vez cuando se deforman.

Los materiales viscoelásticos fueron desarrollados por la NASA, en el programa espacial en los años 60, con el fin de aliviar la presión sobre el cuerpo de los astronautas durante en el momento del despegue de sus naves espaciales. A partir de la década de los 90 comenzó su aplicación comercial en todo el mundo.

Es muy común oír hablar de los colchones viscoelásticos, formados por la viscoelástica. Este material es viscoso y se adapta con facilidad al contorno del cuerpo. Su principal cualidad en la composición de los colchones es que no sufre vibraciones de movimiento pues, en este caso, no es elástico. Es decir, al hacer presión en el centro de un colchón no se inclinan las superficies laterales debido a su capacidad de adaptación.

I1.jpgImagen 1. Diferencia entre el comportamiento elástico y viscoelástico de un colchón.

3. Hipótesis.

A raíz de lo expuesto anteriormente, se puede suponer que es posible aplicar los efectos Weissenberg, Barus y Kaye, propios de los fluidos viscoelásticos –como la miel– a la hora de determinar de manera objetiva y por simple observación, si una muestra está adulterada con agua de adición. Incluso, en casos más acusados, se puede constatar la pérdida de su propiedad bactericida de la miel.

5. Materiales.

  • Miel.
  • Agua destilada.
  • Embudos de plástico y de vidrio.
  • Regla.
  • Taladro.
  • Vasos de precipitados
  • Jeringuilla de 60 ml.
  • Probeta.
  • Cámara de vídeo.
  • Regla milimetrada. Precisión 1 mm.
  • Báscula electrónica. Precisión 0,01 g.
  • Varillas agitadoras de vidrio y de metal.
  • Soportes universales, dobles nueces y pinzas.