¿Es la plastilina líquida o sólida?

Question

A temperatura ambiente, la plastilina es sólida. Pero si haces una tira delgada, no puede mantenerse de pie por sí sola, ¿entonces sigue siendo sólida?

En un sentido más general, ¿qué clasifica o diferencia a un sólido de un líquido?

Answer 1

Play-Doh es principalmente harina, sal y agua, por lo que básicamente es solo masa (no leudada). Hay muchos componentes adicionales como colorantes, fragancias, conservantes, etc., pero estos están presentes en bajos niveles y no tienen un gran efecto en la reología.

El problema al decir básicamente es solo masa es que la reología de la masa es temiblemente complicada. En una simple masa de harina/sal/agua tienes una fase líquida compuesta por una solución acuosa de polímeros como el gluten, y partículas sólidas de almidón. Así que una masa es básicamente una suspensión de partículas sólidas en un fluido viscoso. Para complicar las cosas más, las partículas están floculadas, por lo que terminas con un material que exhibe un esfuerzo de cedencia a diferencia de las partículas no floculadas en, por ejemplo, oobleck.

A bajas tensiones, la masa se comporta como un sólido porque las partículas floculadas actúan como un esqueleto. Sin embargo, las uniones entre las partículas floculadas son débiles (son solo fuerzas de Van der Waals) por lo que incluso a tensiones moderadas, la masa fluye y se comporta como un líquido. La masa, y el Play-Doh, se describen mejor como fluidos no newtonianos.

Answer 2

Estoy suponiendo que el juguete que tienes en mente es el que se vende en los EE. UU. bajo el nombre Silly Putty. Play-Doh se utiliza principalmente como una "arcilla de modelar" para escultura, lo que significa que debe comportarse como un "plástico": su resistencia de cedencia debe ser lo suficientemente baja como para permitir que se modele en una figura, pero lo suficientemente alta como para que las figuras de tamaño razonable no se colapsen rápidamente.

Silly Putty es bastante dramático (para una masilla) y a menudo se utiliza como material didáctico para demostrar un rheid - un término algo obsoleto para un material que exhibe una amplia gama de comportamientos mecánicos dependiendo de la magnitud del estrés. Silly Putty se fractura si se golpea con un martillo, rebota como goma, se estira como metal y puede fluir a través de un agujero como un líquido.

Una ley constitutiva es una ley fenomenológica que describe la relación de la carga con la deformación y la velocidad de deformación de un material. A veces, físicos, químicos e ingenieros adoptan una ley constitutiva viscoelástica lineal para modelar la deformación de un material. La primera ecuación constitutiva (ley constitutiva) fue desarrollada por Robert Hooke (ley de Hooke). Las leyes constitutivas viscoelásticas pueden ser útiles porque son relativamente fáciles de manejar matemáticamente y porque tienen análogos intuitivos simples: un resorte (material elástico), un dashpot (material viscoso de newton) y un bloque deslizante con fricción (material plástico). También es posible construir leyes constitutivas más complejas combinando estos simples análogos en serie o en paralelo. Por ejemplo, la ley constitutiva para Play-Doh (plástico) podría ser modelada por un bloque deslizante en una superficie con fricción: cuando se excede la fuerza de fricción, el bloque análogo se desliza (pero luego no se mueve cuando se retira la carga, es decir, no hay resorte). Silly Putty podría ser mejor modelado por un bloque - resorte - dashpot conectado en serie. Una tensión repentina puede mover solo el resorte (comportamiento elástico), una tensión más grande puede mover el bloque (plástico) y una tensión aplicada durante mucho tiempo podría mover el dashpot. También hay materiales que presentan un comportamiento constitutivo no lineal que no está bien descrito por ningún modelo viscoelástico lineal.

Las palabras "líquido" y "sólido" también pueden referirse al estado de la materia de una fase en un sistema termodinámico. Las fases están bien definidas en un sistema termodinámico porque generalmente están separadas por límites de fase y transiciones de energía. El estado de la materia y la fenomenología constitutiva no son idénticos.

Probablemente no deberías clasificar un material como sólido o líquido según su comportamiento constitutivo. Es mejor usar esas palabras para referirse a diferentes fases de un sistema termodinámico.

No debes referirte al estado de la materia cuando te refieres al comportamiento constitutivo, son cosas diferentes. El agua que llena un lago está en estado líquido, pero también se comporta como un material elástico. El hielo en un glaciar está en estado sólido pero fluye cuesta abajo.

Cuando intentes entender la reología de los materiales, es importante considerar la influencia del tiempo.

Los geofísicos se dieron cuenta en el siglo XX de que las rocas de la corteza y manto de la Tierra también se comportan como un 'rheid', pero a lo largo de escalas de tiempo geológicas. Este hecho tuvo que ser entendido por los científicos de la Tierra para poder explicar/modelar la física subyacente de la tectonofísica planetaria moderna y las observaciones de la deriva continental, etc.

Answer 3

Mientras que las propiedades físicas de un sólido frente a un líquido son obvias para cualquier niño de primaria, la física detrás de ello es un poco más compleja.

Una sustancia se llama tradicionalmente sólida si no se deforma notablemente desde una forma inicial dada en su estado estacionario (en términos simples, no "fluirá" en ausencia de ninguna fuerza que no sea la gravedad). Un líquido, por otro lado, sí lo hará. Típicamente, un material sólido homogéneo es sólido porque las moléculas no tienen suficiente energía térmica para superar las atracciones intermoleculares (como los enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, etc.) que le dan su rigidez. Esta energía puede provenir de muchos lugares; clásicamente se piensa en ella como energía térmica (calor) para que podamos describir las cosas en términos de temperatura y presión ambientales. Sin embargo, bajo diferentes niveles de temperatura y presión que serían "normales" en situaciones distintas a nivel del mar en la Tierra, obtenemos otras formas y estados de la materia más allá de los tres tradicionales enseñados en la escuela primaria. Como mencionó el comentario, el hielo es un sólido cristalino, pero dado suficiente masa de él para ejercer presión, como en los glaciares, aún "fluirá"; de la misma manera, los metales son tradicionalmente sólidos, pero su maleabilidad les permite ser moldeados bajo suficiente fuerza, incluida la fuerza de la gravedad por su propio peso.

Entre los sólidos y líquidos clásicos, típicamente tenemos algunas sustancias que tienen algunas propiedades de ambos. La abrumadora mayoría son mezclas químicamente heterogéneas, pero microscópicamente homogéneas de un sólido y un líquido, que se llaman "coloides" o "suspensiones coloidales". Si la mezcla es más sólida que líquida, y no fluye notablemente bajo la fuerza de la gravedad sola, típicamente la llamamos "gel". Si la sustancia es más líquida que sólida, y se comporta como tal (como un líquido espeso), es un "sol". El Play-Doh entra bastante en la categoría de "gel"; es altamente "plástico" (flexible, moldeable, deformable) pero en la mayoría de las situaciones no se deforma solo bajo la gravedad. Las excepciones se producen cuando el material está en una forma tal que no hay suficiente del material para que las fuerzas intermoleculares puedan resistir la fuerza de la gravedad (como cuando se extruye una forma delgada del material).

La sugerencia de John de un "fluido no newtoniano" es ingeniosa, pero la física del material dice lo contrario. Un fluido es no newtoniano, simplemente, si su tasa de deformación no es directamente proporcional a la magnitud de las fuerzas que actúan sobre él. Oobleck (maicena y agua) es un material así porque se vuelve más espeso e incluso se solidifica bajo altas tensiones, como tratar de exprimirlo, pero fluirá fácilmente bajo tensiones más bajas como la gravedad. El comportamiento del Play-Doh es mucho más proporcional; se deforma cuando se aprieta y moldea, pero se mantiene más o menos en su lugar solo bajo la gravedad.