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VISCOSIDAD
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DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE FLUIDOS UTILIZANDO UN VISCOSMETRO ROTATIVO ANALGICO
INGENIERIA MECANICA
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
PROYECTO DE INVESTIGACIN:
DETERMINACIN DE LA VISCOSIDAD DE FLUIDOS UTILIZANDO UN
VISCOSMETRO ROTATIVO ANALGICO
CURSO:
FSICA II
DOCENTE:
Prof. Rojas Alegra Roberto
ALUMNO:
RODRIGUEZ ABANTO, Luis Daniel
Trujillo Per
2009
INGENIERIA MECANICA
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INTRODUCCIN
La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia en
mltiples procesos industriales, adems de ser una variable de gran influencia
en las mediciones de flujo de fluidos, el valor de viscosidad se usa como punto
de referencia en la formulacin y formacin de nuevos productos, facilitando la
reproduccin de la consistencia de un lote a otro de fluido que se va a producir.
Para el clculo de la viscosidad de los fluidos se utilizan distintos tipos de
instrumentos que son llamados viscosmetros, en el desarrollo de nuestro
proyecto utilizamos un Viscosmetro Rotativo Analgico, el cual emplea la idea
de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede
indicar la viscosidad del fluido.
Es importante precisar una observacin importante en el desarrollo del proyecto,
que la viscosidad de un fluido depende considerablemente de la temperatura a la
que se encuentre. En el desarrollo del proyecto se han especificado tales
observaciones.
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CONTENIDO
RESUMEN . 05
OBJETIVOS . 06
MARCO TEORICO... 07
INSTRUMENTOS Y MATERIALES . 23
METODO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL .. 29
DATOS EXPERIMENTALES . 31
ANALISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION 35
CONCLUSIONES ........... 48
APENDICE .............. 50
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 51
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1 RESUMEN
En este experimento hemos calculado la viscosidad de diversos fluidos
(lquidos), en este caso utilizamos diversos tipos de lubricantes que son
utilizados en la industria automotor para evitar el desgaste por friccin de
diversos componentes que se hallan en contacto.
Lo primero que se hizo fue armar el equipo (Viscosmetro Rotativo Analgico),
luego procedemos a seleccionar los lubricantes (no interesa el orden) que
colocaremos en el viscosmetro, para esto necesitamos vaciar el lubricante en un
pequeo recipiente (vaso de precipitacin); es importante mencionar que el
viscosmetro posee cuatro rotores diferentes para cada tipo de viscosidad, los
cuales estando en movimiento, cuando entran en contacto con el fluido nos
indicarn en el disco graduado el valor de la viscosidad.
Puesto el recipiente en una posicin correcta, procedemos a introducir un rotor,
accionamos la entrada de energa para que el viscosmetro funcione, el rotor
empezar a girar a una determinada velocidad.
Luego de medir la viscosidad del fluido con un rotor, cambiamos de rotor y
observamos en el indicador la viscosidad que presenta, anotamos resultados, si
es necesario se hace las pruebas con los dos rotores faltantes.
Seguidamente en una cocina elctrica calentamos el fluido hasta una
temperatura considerable, con ayuda de un termmetro medimos la temperatura
a la que se encuentra, luego de esto llevamos el recipiente nuevamente al
viscosmetro y realizamos las respectivas mediciones.
Anotamos resultados.
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2 OBJETIVOS
Determinar la viscosidad de diversos tipos fluidos (lubricantes).
Mostrar experimentalmente que la viscosidad de un fluido vara con el
cambio de temperatura.
Mostrar experimentalmente que la densidad de un fluido tambin vara
con el cambio de temperatura.
Aprender a utilizar el Viscosmetro Rotativo Analgico.
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3 MARCO TERICO
VISCOSIDAD:
La viscosidad es una propiedad fsica-quimia de los fluidos y representa la
resistencia que presentan los fluidos al fluir.
Es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no
tiene viscosidad se llama fluido ideal. Pero en realidad todos los fluidos
conocidos presentan viscosidad. La viscosidad solo se manifiesta en lquidos en
movimiento, ya que cuando el fluido esta en reposo, la superficie permanece
plana.
Explicacin de la viscosidad:
Imaginemos un bloque slido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial,
observemos la figura (a), el material slido se opone una resistencia a la fuerza
aplicada, pero se deforma (observar la figura (b)), se deforma cada vez ms
cuanto menor es la rigidez del slido.
Si imaginamos que el slido est formada por capas unas sobre otras, el
resultado de la formacin es el desplazamiento de unas capas respecto a las
adyacentes, tal como se muestra en la figura (c).
En los lquidos, el pequeo rozamiento entre las capas adyacentes de denomina
viscosidad.
Si arrastramos la superficie de un lquido con la palma de la mano, las capas
inferiores no se movern o se movern mucho ms lentamente que la superficie,
ya que son arrastradas por efecto de la pequea resistencia tangencial, mientras
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que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una
cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeos
trozos de corcho, observamos que al revolver en el centro tambin se mueve la
periferia y revolver en la periferia tambin dan vueltas los trocitos de corcho del
centro; las capas cilndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad,
disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.
Cabe sealar que la viscosidad solo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya
que cuando el fluido esta en reposo adopta una forma tal en l, ya que cuando el
fluido esta en reposo adopta una forma tal en la que no actan las fuerzas
tangenciales que no puede resistir.
Si la viscosidad fuese muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo
sera tambin, Lo que significa que estas no podran moverse unas respecto de
otras, o lo haran muy poco.
UNIDADES DE LA VISCOSIDAD:
La viscosidad de un fluido puede medirse por un parmetro dependiente de la
temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:
Coeficiente de viscosidad dinmico, designado como o . En unidades en el
SI: [] = [Pas] = [kgm-1s1] ; otras unidades:
1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pas] = [10-1 kgs-1m-1]
Coeficiente de viscosidad cinemtico, designado como , y que resulta ser
igual al cociente del coeficiente de viscosidad dinmica entre la densidad =
/. (En unidades en el SI: [] = [m2.s1].
VISCOSIDAD DINMICA O ABSOLUTA ():
La viscosidad absoluta es una propiedad de los fluidos que indican la mayor o
menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partculas cuando son
sometidos a un esfuerzo cortante.
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Se muestran algunas tablas:
VISCOSIDAD CINEMTICA:
Es la relacin entre la viscosidad dinmica y la densidad el fluido este suele
denotarse como .
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VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA:
Para aceites y lubricantes:
El aceite por lo general es bastante difcil de vaciar cuando esta fralo que indica
que tiene una viscosidad alta. Conforme la temperatura del aceite va
aumentando, su viscosidad disminuye notablemente. Todos los lquidos exhiben
este comportamiento en algn grado.
Para los gases:
En los gases se comportan de manera diferentes a los lquidos, ya que la
viscosidad aumenta al tiempo que aumenta la temperatura.
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INSTRUMENTOS EMPLEADOS PARA MEDIR LA VISCOSIDAD:
El instrumento ms usado para medir viscosidad es el viscosmetro.
VISCOSMETROS:
Un viscosmetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos
otros parmetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir
una frmula para medir la viscosidad de los fluidos, postul que dicha fuerza
corresponda al producto del rea superficial del lquido por el gradiente de
velocidad, adems de producto de una coeficiente de viscosidad. En 1884
Poiseville mejor la tcnica estudiando el movimiento de lquidos en tuberas.
Tipos de viscosmetros:
-Viscosmetros que vibran dentro del agujero:
Los Viscosmetros que vibran son sistemas rugosos usados para medir
viscosidad en las condiciones de proceso. La pieza activa del sensor es una
barra que vibra. La amplitud de la vibracin vara segn la viscosidad del lquido
en el cual se sumerge la barra. Estos centmetros de la viscosidad son
convenientes para medir estorbando los lquidos fluidos y de gran viscosidad
(hasta 1.000.000 cP).
Actualmente, muchas industrias alrededor del mundo consideran estos
viscosmetros como el sistema ms eficiente para medir la viscosidad, puesta en
contraste con los viscmetros rotatorios, que requieren ms mantenimiento,
inhabilidad de medir el estorbar del lquido, y calibracin frecuente despus de
uso intensivo.
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-Viscosmetros capilares:
La tcnica ms comnmente empleada para medir la viscosidad de un lquido o
de un sistema coloidal diluido es la de viscosimetra capilar. Los viscosmetros
capilares de vidrio son fciles de construir y operar, son baratos y pueden
emplearse para mediciones de rutina. Los viscosmetros capilares pueden
detectar rpida y fcilmente comportamientos anormales entre una serie de
muestras para un estudio posterior, con instrumentos ms precisos y en los que
puede variarse a voluntad, por ejemplo, el viscosmetro de cono y plato.
-Viscosmetros del tipo que cae:
Se permite que un cuerpo (por ejemplo, una esfera) caiga a travs de una masa
de fluido en un tubo cilndrico. Se mide el tiempo que necesita el cuerpo para caer
a cierta distancia (a velocidad constante) y se correlacionan esas mediciones con
la viscosidad. Este tipo de instrumento se puede calibrar con fluidos de
viscosidades conocidas.
El viscosmetro que usamos para nuestro experimento fue el siguiente:
-Viscosmetros de Rotacin:
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Los viscosmetros de rotacin emplean la idea de que la fuerza requerida para
rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Algunos
de ellos son:
o El ms comn de los viscosmetros de rotacin son los del tipo Brookfield que
determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a
una velocidad conocida.
o El viscosmetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque
requerido para lograr una cierta rotacin. Hay dos geometras clsicas en este
tipo de viscosmetro de rotacin, conocidos como sistemas: "Couette" o
"Searle".
'Cono y plato' los viscmetros emplean un cono que se introduce en el fluido a
una muy poca profundidad en contacto con el plato.
1. El viscosmetro Stormer. Es un dispositivo rotatorio empleado para determinar
la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las industrias de elaboracin
de pintura. Consiste en una especie de rotor con paletas tipo paddle que se
sumerge en un lquido y se pone a girar a 200 revoluciones por minuto, se
mide la carga del motor para hacer esta operacin la viscosidad se encuentra
en unas tablas ASTM D 562, que determinan la viscosidad en unidades
Krebs. El mtodo se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.
LUBRICANTES:
Un lubricante es una sustancia que, colocada entre dos piezas mviles, no se
degrada, y forma as mismo una pelcula que impide su contacto, permitiendo su
movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones.
El lubricante es una sustancia que introducida entre dos superficies mviles
reduce la friccin entre ellas, facilitando el movimiento y reduciendo el desgaste.
El lubricante cumple variadas funciones dentro de una mquina o motor, entre
ellas disuelve y transporta al filtro las partculas fruto de la combustin y el
desgaste, distribuye la temperatura desde la parte inferior a la superior actuando
como un refrigerante, evita la corrosin por xido en las partes del motor o
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mquina, evita la condensacin de vapor de agua y sella actuando como una
junta determinados componentes.
La propiedad del lubricante de reducir la friccin entre partes se conoce como
Lubricacin y la ciencia que la estudia es la tribologa.
Un lubricante se compone de una base, que puede ser mineral o sinttica y un
conjunto de aditivos que le confieren sus propiedades y determinan sus
caractersticas.
Cuanto mejor sea la base menos aditivo necesitar, sin embargo se necesita una
perfecta comunin entre estos aditivos y la base, pues sin ellos la base tendra
unas condiciones de lubricacin mnimas.
Los lubricantes se califican segn su base como:
-Lubricante Mineral:
Es el ms usado y barato de las bases parafnicas. Se obtiene tras la destilacin
del barril de crudo despus del gasleo y antes que el alquitrn, comportando un
50% del total del barril, este hecho as como su precio hacen que sea el ms
utilizado.
Existen dos tipos de lubricantes minerales clasificados por la industria, grupo 1 y
grupo 2 atendiendo a razones de calidad y pureza predominando el grupo 1. Es
una base de bajo ndice de viscosidad natural (SAE 15) por lo que necesita de
gran cantidad de aditivaje para ofrecer unas buenas condiciones de lubricacin. El
origen del lubricante mineral por lo tanto es orgnico, puesto que proviene del
petrleo.
Los lubricantes minerales obtenidos por destilacin del petrleo son fuertemente
aditivados para poder:
1. Soportar diversas condiciones de trabajo.
2. Lubricar a altas temperaturas.
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3. Permanecer estable en un amplio rango de temperatura.
4. Tener la capacidad de mezclarse adecuadamente con el refrigerante.
5. Tener un ndice de viscosidad alto.
6. Tener higroscopicidad definida como la capacidad de retener humedad.
-Lubricante Sinttico:
Es una base artificial y por lo tanto del orden de 3 a 5 veces ms costosa de
producir que la base mineral. Se fabrica en laboratorio y puede o no provenir del
petrleo. Poseen unas excelentes propiedades de estabilidad trmica y
resistencia a la oxidacin, as como un elevado ndice de viscosidad natural (SAE
30). Poseen un coeficiente de traccin muy bajo, con lo cual se obtiene una buena
reduccin en el consumo de energa.
Existen varios tipos de lubricantes sintticos:
1.- Hidrocrack: Es una base sinttica de procedencia orgnica que se obtiene de
la hidrogenizacin de la base mineral mediante el proceso de hidrocracking. Es el
lubricante sinttico ms utilizado por las compaas petroleras debido a su bajo
costo en referencia a otras bases sintticas y a su excedente de base mineral
procedente de la destilacin del crudo para la obtencin de combustibles fsiles.
2.- PAO. Es una base sinttica de procedencia orgnica pero ms elaborada que
el hidrocrack, que aade un compuesto qumico a nivel molecular denominado
Poli-Alfaolefinas que le confieren una elevada resistencia a la temperatura y muy
poca volatilidad (evaporacin).
3.- PIB. Es una base sinttica creada para la eliminacin de humo en el lubricante
por mezcla en motores de 2 tiempos. Se denomina Poli-isobutileno.
4.- ESTER. Es una base sinttica que no deriva del petrleo sino de la reaccin
de un cido graso con un alcohol. Es la base sinttica ms costosa de elaborar
porque en su fabricacin por "corte" natural se rechazan 2 de cada 5
producciones. Se usa principalmente en aeronutica donde sus propiedades de
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resistencia a la temperatura extrema que comprenden desde -68C a +325C y la
polaridad que permite al lubricante adherirse a las partes metlicas debido a que
en su generacin adquiere carga electromagntica, hacen de esta base la reina
de las bases en cuanto a lubricantes lquidos. El ster es comnmente empleado
en lubricantes de automocin en competicin.
ACEITES LUBRICANTES DE MOTOR:
Caractersticas del aceite
El aceite de motor es un aceite que se usa para lubricar diversos motores de
combustin interna. Si bien el propsito principal es lubricar partes mviles
reduciendo su friccin, el aceite de motor tambin limpia, inhibe la corrosin,
mejora el sellado y reduce la temperatura del motor transmitiendo el calor lejos de
las partes mviles. Los aceites de motor son derivados de compuestos qumicos
sintticos del petrleo y otros productos usados para la fabricacin del aceite
sinttico.
El aceite de motor consiste principalmente en hidrocarburos, compuestos
orgnicos compuestos ntegramente de carbono e hidrgeno.
El aceite lubricante crea una pelcula separadora entre las superficies mviles
adyacentes para minimizar el contacto directo, el desgaste y la produccin de
calor, protegiendo as al motor. Gracias a la buena conductividad de calor del
aceite, al ponerse en contacto con una superficie caliente, absorbiendo parte del
calor para transmitirlo a otro sitio, normalmente al aire o a un disipador de algn
tipo.
Clasificacin por tipo de servicio:
Los aceites de motor son clasificados por el Instituto Americano del Petrleo (API)
para definir el tipo del servicio para el que son aptos. Esta clasificacin aparece
en el envase de todos los aceites y consta de 2 letras: La primera letra determina
el tipo de combustible del motor para el que fue diseado el aceite, utilizndose
una "S" para motores a gasolina y una "C" para motores diesel. La segunda letra
determina la calidad del aceite donde mayor es la letra (en el alfabeto) mejor es la
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calidad del aceite. Actualmente en motores a gasolina se utilizan los clasificacin
SJ mientras que en motores diesel los CH.
Los aceites de mayor calidad o ms recientes como el SJ pueden ser utilizados
en vehculos viejos con especificaciones de aceite inferiores, pero por ningn
motivo se deber utilizar una aceite de calidad inferior al especificado por el
fabricante del motor.
Clasificacin en cuanto a su naturaleza:
Convencional o Minerales: Aceites obtenidos de la destilacin del petrleo. Estos
aceites estn formados por diversos compuestos de diferente composicin
qumica que dependen del proceso de refinacin as como del petrleo crudo
utilizado.
Sintticos: Aceites preparados en laboratorio a partir de compuestos de bajo peso
molecular para obtener compuestos de alto peso molecular con propiedades
predecibles. Estos aceites tienen algunas ventajas sobre los aceites
convencionales, a continuacin algunas de ellas:
Mejor estabilidad trmica. Los aceites sintticos soportan mayores
temperaturas sin degradarse ni oxidarse, esto es especialmente til para
motores que se operan en ciudades con altas temperaturas y motores turbo-
cargados. Esta estabilidad trmica tambin permite mantener ms limpio el
motor.
Mejor desempeo a bajas temperaturas. Estos aceites fluyen ms fcilmente
a bajas temperaturas, mejorando el arranque del motor en climas fros.
Menor consumo de aceite. Los aceites sintticos tienen una menor volatilidad
lo que se traduce en menor consumo de aceite en el motor.
Sin embargo, el aceite sinttico tiene la desventaja de ser bastante ms caro
que el aceite convencional.
La clasificacin ms usada es la siguiente:
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Clasificacin por su grado de viscosidad:
La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) tambin clasifica los aceites
segn su grado de viscosidad. La viscosidad es la resistencia que ofrece un
lquido (o gas) a fluir y depende enormemente de la temperatura. En esta
clasificacin los nmeros bajos indican baja viscosidad de aceite o bien aceites
"delgados" como comnmente se les conoce y nmero altos indican lo opuesto.
En cuanto a grado de viscosidad se refiere, existen 2 tipos de aceites:
Monogrados: Diseados para trabajar a una temperatura especfica o en un
rango muy cerrado de temperatura. En el mercado se pueden encontrar aceites
monogrado SAE 10, SAE 30, SAE 40, entre otros.
Multigrados: Diseados para trabajar en un rango ms amplio de temperaturas,
en donde a bajas temperaturas se comportan como un monogrado de baja
viscosidad (SAE 10 por ejemplo) y como un monogrado de alta viscosidad a altas
temperaturas (SAE 40 por ejemplo). Los aceites multigrados estn formados por
una aceite base de baja viscosidad as como de aditivos (polmeros) que evitan
que el aceite pierda viscosidad al calentarse. Esto permite a los aceites
multigrados trabajar en un rango muy amplio de temperatura manteniendo las
propiedades necesarias para proteger el motor. En el mercado podemos
encontrar aceites multigrados SAE 5W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50, entre
otros.
Aquellos aceites que cumplen los requerimientos de viscosidad a bajas
temperaturas (bajo 0C) se les designan con la letra "W" que indica invierno
(Winter).
Ahora veamos algunos ejemplos de aceites multigrados:
- Aceite 20W 50.- el aceite 20W 50 tiene mayor viscosidad a bajas temperaturas y
conforme se calienta va perdiendo viscosidad.
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El nmero 20W se refiere a la facilidad con la que el aceite puede ser "bombeado"
en bajas temperaturas, mientras ms bajo sea el nmero "W", mejores sern sus
propiedades de fluidez y facilitara el arranque del motor a bajas temperaturas. La
"W" significa Winter - invierno.
-Aceite 5W 50.- Un aceite 5W 50 es mejor que un 20W 50 en arranque a bajas
temperaturas, ese es el significado real del primer nmero "Facilidad de arranque
a bajas temperaturas", el segundo trmino es el grado de viscosidad del aceite en
las temperaturas normales de operacin del motor y se determina por la
viscosidad cinemtica del aceite a 100C.
Una vez que el motor arranc y el motor llega a su temperatura normal de
operacin, el aceite trabaja como un grado SAE 50, esta es la viscosidad con la
que se protege al motor la mayor parte del tiempo, la ventaja de los aceites
multigrados es su flexibilidad para proteger al motor en el arranque, con una
viscosidad baja y que permite que el aceite llegue rpido a las partes altas del
motor, para protegerlo contra el desgaste y posteriormente que sostenga una
viscosidad correcta para el tiempo que opera en condiciones "normales" de
temperatura que son reguladas por el sistema de refrigeracin (enfriamiento) del
motor.
Veamos algunas graficas de diferentes tipos de aceites a diferente temperatura:
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Veamos la grfica de diferentes aceites multigrados en un motor
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LA IMPORTANCIA DE LA VISCOSIDAD EN LOS ACEITES LUBRICANTES DE
MOTOR:
Solamente la viscosidad correcta maximizar la vida til y la eficiencia del motor,
transmisin, sistema hidrulico o lo que sea la aplicacin.
Un aceite delgado es menos resistente a fluir, por eso su viscosidad es baja. Un
aceite grueso es ms resistente a fluir y por eso tiene una viscosidad ms alta.
Para el uso automotriz se utiliza una tabla de viscosidades criada por la Sociedad
de Ingenieros Automotrices (SAE).
La viscosidad a 100C para una SAE 40 es entre 12.5 cSt y 16.29 cSt.
Fuente: Widman International SRL
Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100C. Esta es la temperatura
normal del aceite dentro del motor en funcionamiento (promedio - en realidad se
encuentra temperaturas cerca de 150C en los anillos y puntos presin en el rbol
de levas, y ms de 280C en el turbo). Un motor que opera debajo de 90C no
est funcionando bien, tendr altos depsitos y lodos, y consumir mayor
combustible.
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Fuente: Widman International SRL
Hoy en da la mayora de los motores a gasolina estn diseados para un aceite
ms delgado (menos viscoso). Muchos inclusive requieren una viscosidad SAE 20
o SAE 30 en funcionamiento.
Fuente: Widman International SRL
Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100C. Esta es la temperatura
normal del aceite dentro del motor en funcionamiento (promedio - en realidad se
encuentra temperaturas cerca de 150C en los anillos y puntos presin en el rbol
de levas, y ms de 280C en el turbo).
Fuente: Widman International SRL
La clasificacin S.A.E. est basada en la viscosidad del aceite a dos
temperaturas, en grados Fahrenheit, 0F y 210F, equivalentes a -18 C y 99 C,
estableciendo ocho grados S.A.E. para los monogrados y seis para los
multigrados.
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Grado SAE
Viscosidad
Cinemtica cSt @
100C
0W 3,8
5W 3,8
10W 4,1
15W 5,6
20W 5,6
25W 9,3
20 5,6 - 9,3
30 9,3 - 12,5
40 12,5 - 16,3
50 16,3 - 21,9
60 21,9 - 26,1
FUENTE: Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores (SAE)
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4 INSTRUMENTOS Y MATERIALES
- Viscosmetro de Rotacin (+/- 0.25 Pa.s)
o Rotores 1, 2, 3, 4.
o Este modelo de viscosmetro es modelo Q860A24. Faja de Medicin de
10 Pa.s a 2,000.000 Pa.s.
o Sistema mecnico del freno y lectura analgica con disco graduado.
o velocidad ajustable de 0.3; 0.6; 1.5; 3; 6; 12; 30; 60; rpm.
o consta de 4 rotores de acero inoxidable
o voltaje: 220V.
o frecuencia: 60Hz.
o potencia: 50W.
(FIGURA N 1)
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- Termostato (usado para controlar la temperatura del agua)
(FIGURA N2)
- Cocina ( usado para calentar fluidos y slidos)
(FIGURA N3)
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- Termmetro (+/- 1 C, usado para medir la temperatura)
(FIGURA N4- Termmetro y densmetro)
- Densmetro (+/- 0.001 g/cm3 , usado para medir la densidad de lquidos)
- Vaso de Precipitacin ( 500 ml, vaso de vidrio con escala graduada que
permite medir lquidos con aproximacin)
(FIGURA N 5)
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- Probeta Graduada (500 ml, vaso de vidrio, permite medir volmenes de
lquidos cuando no se requiere mucha precisin)
- Aceites Multigrado 20W 50 / 25W 50 (lubricantes para motores de
automviles)
(FIGURA N 6 Aceites monogrado y multigrado)
- Aceite Monogrado 50 (lubricante para motor de automvil)
- Aceite Quemado (aceite desechado debido al amplio trabajo que ha
realizado en los motores)
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5 MTODO Y ESQUEMA EXPERIMENTAL
- Ensamblar el Viscosmetro de Rotacin. Escoger el Rotor que se va a utilizar,
la velocidad y encontrar el coeficiente adecuado de la Tabla de Coeficientes.
- Llenar el Vaso de Precipitacin con el aceite a utilizar.
- Introducir el vaso de precipitacin en el termostato, posteriormente introducir
el viscosmetro de rotacin en el vaso de precipitacin. (Ver figura N 8)
(FIGURA N 8)
- Utilizar un intervalo de temperatura de 5C, hasta llegar a los 100C.
- Anotar los valores que indica el viscosmetro para las diferentes temperaturas
que se quiere medir la viscosidad, tomar nota.
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- Cuando se llega a 75C utilizar la cocina para continuar calentando el aceite,
para esto se monta nuevamente los equipos como se muestra en la figura.
- De igual manera continuar con las mediciones hasta llegar a 100C.
- Para medir la densidad a 100C. Vaciar el aceite a una probeta donde se
pueda usar el densmetro, tener cuidado que el aceite debe tener una
temperatura mayor a 100C, esto se hace para no cometer errores en la
medicin.
- Repetir los pasos anteriores para cada uno de los aceites.
- Elaborar las tablas correspondientes con los datos obtenidos.
- Realizar todos los clculos, graficas, ecuaciones, etc. para determinar la
viscosidad de los aceites.
(FIGURA N 9)
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6 DATOS EXPERIMENTALES
Elaboramos las tablas para los cuatro tipos de aceites, con los datos obtenidos en
las diferentes mediciones que se realiz con el viscosmetro.
6.1.- ACEITE MONOGRADO 50
Temperatura
(C) 25 30 35 40
Valor del
Viscosmetro 76.5 70.5 55 39.5
Temperatura
(C) 45 50 55 60
Valor del
Viscosmetro 34.5 27.5 21.5 18
Temperatura
(C) 65 70 75 80
Valor del
Viscosmetro 14.5 11 9 7.5
Temperatura
(C) 85 90 95 100
Valor del
Viscosmetro 5.5 4.5 3.0 2.0
(Tabla N 1- Temperatura del aceite y el valor obtenido en el viscosmetro)
o Para todos las datos obtenidos en la tabla N 1, se trabajo con el rotor nmero
uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla n 11 en apndice le
corresponde un coeficiente 100.
o La densidad medida para el aceite monogrado 50, a la temperatura de 100
centgrados:
Densidad = 0.84 g/cm3
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6.2- ACEITE MULTIGRADO 20W 50
Temperatura
(C) 35 40 45 50
Valor del
Viscosmetro 42 34.5 28.5 21
Temperatura
(C) 55 60 65 70
Valor del
Viscosmetro 16 14 10 7.5
Temperatura
(C) 75 80 85 90
Valor del
Viscosmetro 5.5 4.5 4 3.5
Temperatura
(C) 95 100 ------ ------
Valor del
Viscosmetro 3.0 2.0 ------ ------
(Tabla N 2- Temperatura del aceite y el valor obtenido en el viscosmetro)
o Para todos las datos obtenidos en la tabla N 2, se trabajo con el rotor nmero
uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla N 11 en apndice le
corresponde un coeficiente 100.
o La densidad medida para el aceite multigrado 20w 50, a la temperatura de
100 centgrados:
Densidad = 0.87 g/cm3
INGENIERIA MECANICA
32
6.3.- ACEITE MULTIGRADO 25W 50
Temperatura
(C) 30 35 40 45
Valor del
Viscosmetro 49 35 24 18.5
Temperatura
(C) 50 55 60 65
Valor del
Viscosmetro 16.5 14 10.5 9
Temperatura
(C) 70 75 80 85
Valor del
Viscosmetro 7.5 6.5 5.5 4.5
Temperatura
(C) 90 95 100 ------
Valor del
Viscosmetro 3.5 2.5 1.5 ------
(Tabla N 3- Temperatura del aceite y el valor obtenido en el viscosmetro)
o Para todos las datos obtenidos en la tabla N 3, se trabajo con el rotor nmero
uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla N 11 en apndice le
corresponde un coeficiente 100.
o La densidad medida para el aceite multigrado 25w 50, a la temperatura de
100 centgrados:
Densidad = 0.83 g/cm3
INGENIERIA MECANICA
33
6.4.- ACEITE QUEMADO
Temperatura
(C) 55 60 65 70
Valor del
Viscosmetro 10 8.5 7 6.5
Temperatura
(C) 75 80 85 ------
Valor del
Viscosmetro 5.5 5 4 ------
(Tabla N 4- Temperatura del aceite y el valor obtenido en el viscosmetro)
o Para todos las datos obtenidos en la tabla N 3, se trabajo con el rotor nmero
uno, una velocidad de 0.6 rpm y segn la tabla N 11 en apndice le
corresponde un coeficiente 100.
INGENIERIA MECANICA
34
7 ANLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIN
Para determinar la viscosidad dinmica o absoluta de los aceites, con los datos
experimentales obtenidos en las tablas anteriores realizamos los siguientes
clculos:
COEFICIENTE DE VISCOSIDAD DINAMICA
=K* Donde: : Viscosidad absoluta o dinmica K: coeficiente de la tabla para cada rotor. (Ver tabla N 11 Apndice) #: Lectura del viscosmetro obtenida experimentalmente.
Despus de realizar los clculos para cada dato obtenido experimentalmente de
cada aceite. Elaboramos las siguientes tablas con su respectivo anlisis y
discusin.
7.1.- ACEITE MONOGRADO 50
Para determinar la viscosidad se uso el rotor N 1 velocidad 0.6 rpm y el valor
de K = 100. (Ver tabla N 11 en apndice)
TEMPERATURA (C)
VALOR OBTENIDO EN
EL VISCOSIMETRO
VISCOSIDAD ABSOLUTA
=K* (Pa.s) 25 76.5 7650
30 70.5 7050
35 55 5500
40 39.5 3950
45 34.5 3450
50 27.5 2750
55 21.5 2150
INGENIERIA MECANICA
35
60 18 1800
65 14.5 1450
70 11 1100
75 9 900
80 7.5 750
85 5.5 550
90 4.5 450
95 3.0 300
100 2.0 200
(Tabla N 6 Viscosidad absoluta o dinmica para el aceite monogrado 50)
Con los datos de la tabla N 6 graficamos la viscosidad absoluta en funcin de
la temperatura.
INGENIERIA MECANICA
36
(Grafica N 1 Viscosidad absoluta Vs. Temperatura)
De la grafica se puede apreciar que la funcin que modela la variacin de la
viscosidad en funcin de la temperatura es una funcin exponencial, y segn
la teora se tiene que el coeficiente de viscosidad absoluta () es:
De la grafica se tiene que.
() = y
A = 28216
B = -0.04
T= x
Para determinar la viscosidad cinemtica usaremos la siguiente frmula:
De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite monogrado 50 a
100 C:
Densidad = 840 kg/m3 Viscosidad dinamica a 100C = 200 Pa.s
Remplazando los datos en la formula anterior
v = 200/840 v = 0.2381 m/s (viscosidad cinemtica a 100C)
Segn la clasificacin de la Sociedad de Ingenieros Automotores de EE.UU.
(SAE) que adopto como temperatura de referencia 100C y manteniendo la
viscosidad de los aceites en centistoke, clasificaron a los aceites lubricantes
en dos categoras. Ver tabla N 7.
INGENIERIA MECANICA
37
Grado SAE Viscosidad
Cinemtica cSt a 100C
0W 3,8
5W 3,8
10W 4,1
15W 5,6
20W 5,6
25W 9,3
20 5,6 - 9,3
30 9,3 - 12,5
40 12,5 - 16,3
50 16,3 - 21,9
60 21,9 - 26,1
(Tabla N 7 Clasificacin de los aceites segn SAE)
De esta tabla se puede apreciar que la viscosidad del aceite monogrado 50
en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor que 16,3 y menor o
igual que 21,9.
Para convertir la viscosidad del aceite determinada experimentalmente
(100C) a la unidad de centistoke (cSt), usaremos el siguiente cuadro de
equivalencias:
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm/s = 0,0001 m/s
Ahora realizamos las conversiones para convertir a centistoke (cst)
v = 0.2381 m/s cSt = 0.2381*10
cSt = 23.81 cm/s
La viscosidad en centistokes para el aceite 50 a la temperatura de 100C es
23.81 cSt.
INGENIERIA MECANICA
38
Por ltimo determinamos el error experimental:
E = [(Vt - Vr) / Vt)] * 100
Luego remplazando obtenemos:
E = [(21.9 - 23.8) / 21.9)] * 100
E = 8.67%
Despus de realizar reiteradas veces el experimento no se logr disminuir el
error para que se encuentre dentro del rango establecido ( 5%). Uno de los
problemas es la precisin del viscosmetro ( 0.25) y otro factor es la calidad
del aceite.
7.2.- ACEITE MULTIGRADO 20W 50
Para determinar la viscosidad se uso el rotor N 1 velocidad 0.6 rpm y el valor
de K = 100. (Ver tabla N 11 en apndice)
TEMPERATURA (C)
VALOR OBTENIDO EN
EL VISCOSIMETRO
VISCOSIDAD ABSOLUTA
=K* (Pa.s) 35 42 4200
40 34.5 3450
45 28.5 2850
50 21 2100
55 16 1600
60 14 1400
65 10 1000
70 7.5 750
75 5.5 550
80 4.5 450
INGENIERIA MECANICA
39
85 4 400
90 3.5 350
95 3 300
100 2 200
(Tabla N 8 Viscosidad absoluta para el aceite multigrado 20W 50)
Con los datos de la tabla N 8 graficamos la viscosidad absoluta en funcin de
la temperatura.
(Grafica N 2 Viscosidad absoluta Vs. Temperatura)
De la grafica se puede apreciar que la funcin que modela la variacin de la
viscosidad en funcin de la temperatura es una funcin exponencial, y segn
la teora se tiene que el coeficiente de viscosidad absoluta () es:
INGENIERIA MECANICA
40
De la grafica se tiene que.
() = y
A = 21551
B = -0.04
T= x
Para determinar la viscosidad cinemtica usaremos la siguiente frmula:
De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite multigrado 20W
50 a 100 C:
Densidad = 870 kg/m3 Viscosidad dinamica a 100C = 200 Pa.s
Remplazando los datos en la formula anterior
v = 200/870 v = 0.2299 m/s (viscosidad cinemtica a 100C)
Segn SAE. (Ver tabla N 7). Se puede apreciar que la viscosidad del aceite
multigrado 20W 50 en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor
que 16,3 y menor o igual que 21,9.
Para convertir la viscosidad del aceite determinada experimentalmente
(100C) a la unidad de centistoke (cSt), usaremos el siguiente cuadro de
equivalencias:
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm/s = 0,0001 m/s
Ahora realizamos las conversiones para convertir a centistoke (cst)
v = 0.2299 m/s cSt = 0.2299*10
cSt = 22.99 cm/s
INGENIERIA MECANICA
41
La viscosidad en centistokes para el aceite multigrado 20W 50 a la
temperatura de 100C es 22.99 cSt.
Por ltimo determinamos el error experimental:
E = [(Vt - Vr) / Vt)] * 100
Luego remplazando obtenemos:
E = [(21.9 - 22.99) / 21.9)] * 100
E = 4.98 %
El error experimental se encuentra dentro del intervalo permitido ( 5%)
7.3.- ACEITE MULTIGRADO 25W 5O
Para determinar la viscosidad se uso el rotor N 1 velocidad 0.6 rpm y el valor
de K = 100. (Ver tabla N 11 en apndice)
TEMPERATURA (C)
VALOR OBTENIDO EN
EL VISCOSIMETRO
VISCOSIDAD ABSOLUTA
=K* (Pa.s) 30 49 4900
35 35 3500
40 24 2400
45 18.5 1850
50 16.5 1650
55 14 1400
60 10.5 1050
65 9 900
70 7.5 750
75 6.5 650
INGENIERIA MECANICA
42
80 5.5 550
85 4.5 450
90 3.5 350
95 2.5 250
100 1.5 150
(Tabla N 9 Viscosidad absoluta del aceite multigrado 25W 50)
Con los datos de la tabla N 9 graficamos la viscosidad absoluta en funcin de
la temperatura.
(Grafica N 3 Viscosidad absoluta Vs. Temperatura)
De la grafica se puede apreciar que la funcin que modela la variacin de la
viscosidad en funcin de la temperatura es una funcin exponencial, y segn
la teora se tiene que el coeficiente de viscosidad absoluta () es:
INGENIERIA MECANICA
43
De la grafica se tiene que.
() = y
A = 15312
B = -0.04
T= x
Para determinar la viscosidad cinemtica usaremos la siguiente frmula:
De los datos experimentales se tiene la densidad del aceite multigrado 25W
50 a 100 C:
Densidad = 830 kg/m3 Viscosidad dinamica a 100C = 150 Pa.s
Remplazando los datos en la formula anterior
v = 150/830 v = 0.1807 m/s (viscosidad cinemtica a 100C)
Segn SAE. (Ver tabla N 7). Se puede apreciar que la viscosidad del aceite
multigrado 25W 50 en centistoke y a 100 C, se encuentra en un rango mayor
que 16,3 y menor o igual que 21,9.
Para convertir la viscosidad del aceite determinada experimentalmente
(100C) a la unidad de centistoke (cSt), usaremos el siguiente cuadro de
equivalencias:
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm/s = 0,0001 m/s
Ahora realizamos las conversiones para convertir a centistoke (cst)
INGENIERIA MECANICA
44
v = 0.1807 m/s cSt = 0.1807*10
cSt = 18.07 cm/s
La viscosidad en centistokes para el aceite multigrado 25W 50 a la
temperatura de 100C es 18.07 cSt.
Comparando la viscosidad del aceite multigrado 25W 50 con los valores de la
tabla N 7 podemos ver que 18.07 cSt se encuentra dentro del rango
permitido: En otras palabras el error experimental es 0,0%.
7.4.- ACEITE QUEMADO
Para determinar la viscosidad se uso el rotor N 1 velocidad 0.6 rpm y el valor
de K = 100. (Ver tabla N 11 en apndice)
TEMPERATURA (C)
VALOR OBTENIDO EN
EL VISCOSIMETRO
VISCOSIDAD ABSOLUTA
=K* (Pa.s) 55 10 1000
60 8.5 850
65 7 700
70 6.5 650
75 5.5 550
80 4 400
(Tabla N 10 Viscosidad absoluta o dinmica para el aceite quemado)
Con los datos de la tabla N 10 graficamos la viscosidad absoluta en funcin
de la temperatura.
INGENIERIA MECANICA
45
(Grafica N 4 Viscosidad absoluta Vs. Temperatura)
Para el aceite quemado no se pudo determinar todos los datos
experimentales para hacer el respectivo anlisis, uno de los problemas fue
que al introducirlo en el termostato y al aumentar la temperatura a 35C el
aceite quemado empez a comportarse de una manera inesperada se
formaba una especie de burbujas y reventaba ocasionando que el aceite se
esparrame fuera del vaso de precipitado.
Segn la grfica N 4 se puede apreciar que la viscosidad del aceite quemado
a temperatura ambiente es relativamente baja, esto nos hace pensar que el
aceite quemado al llegar a 100C la viscosidad disminuir notablemente por
ende no cumple con su funcin de lubricar debido a dos factores: bajo grado
de viscosidad y cuando se encuentra a elevadas temperatura el aceite
revienta ocasionando daos en el motor.
INGENIERIA MECANICA
46
7.5.- COMPARACIN DE GRFICAS
De las grficas anteriores se tiene:
(Grafica N 5 Aceites SAE 50, 20W 50, 25W 50 y Aceite quemado)
De la Grafica N 5 se puede apreciar que cuando los aceites SAE 50, 20W 50
y 25W 50 llegan a 100C los tres se comportan como un aceite SAE 50, esto
es cierto porque el ultimo numero indica cmo es que se comportan los
aceites a la temperatura de 100C.
Cuando se encuentran a temperatura ambiente el grado de viscosidad es
diferente para cada aceite.
INGENIERIA MECANICA
47
8 CONCLUSIONES
Conforme la temperatura del aceite va aumentando el grado de viscosidad del
aceite () disminuye notablemente. Este comportamiento de los aceites se
modela con una funcin exponencial de la forma:
Esto sucede en algn grado para todo fluido lquido. No fue propsito de este
trabajo pero para el caso de los fluidos gases sucede todo lo contrario, es
decir la viscosidad aumenta a medida que la temperatura aumenta.
La clasificacin SAE para los aceites monogrado y multigrado solo
proporciona los rangos de viscosidad en el que se encuentra cada aceite, mas
no la calidad del aceite.
La nomenclatura propuesta por SAE, establece que el primer nmero indica la
facilidad de arranque del motor a bajas temperaturas mas no el grado de
viscosidad, claro est que a menor nmero mejor ser la facilidad de bombear
el aceite por ende ocasionara menos desgaste a la hora del arranque. Por lo
tanto de los tres aceites estudiados se concluye que el mejor aceite para
proteger al motor a la hora del arranque es el aceite 20W 50, esto se verifica
rpidamente en las tablas anteriores ya que a temperatura ambiente el aceite
20W 50 es menos viscoso. Del anlisis de resultados se tiene la siguiente
relacin para la viscosidad de los aceites a temperatura ambiente.
20W 50 < 25W 50 < 50
El segundo nmero indica el grado de viscosidad de los aceites cuando se
encuentran operando en el motor a la temperatura de 100C. Por lo tanto se
tiene la siguiente relacin para la viscosidad de los aceites cuando se
encuentran a 100 C
20W 50 = 25W 50 = 50
De todo esto se concluye que de los tres aceites se recomienda el aceite 20W
50, con ms razn si el automvil se encuentra en zonas fras. Pero una vez
que arranco y el motor llega a su temperatura normal de trabajo los tres
aceites realizaran el mismo trabajo ya que los tres se comportan como SAE
INGENIERIA MECANICA
48
50. La gran ventaja de los aceites multigrados es la proteccin a la hora del
arranque.
El aceite quemado como ya est desgastado, la viscosidad en condiciones de
operacin en el motor es muy baja, en otras palabras se adelgaza mucho y
como contiene impurezas debido a la friccin entre las paredes, residuos de
la combustin, etc. El aceite revienta por lo que genera mayor desgaste en el
motor.
Para el aceite SAE 50 se tuvo algunos problemas para medir la viscosidad
como resultado de esto se ha obtenido un error experimental de 8.67%. Los
factores que influyeron en este resultado es la precisin del viscosmetro y la
calidad del aceite.
INGENIERIA MECANICA
49
APENDICE
TABLA DE COEFICIENTES DEL VISCOSIMETRO DE ROTACION
RPM ROTOR 1 ROTOR 2 ROTOR 3 ROTOR 4
L
RPM
0.3 200 1000 4000 20000
0.6 100 500 2000 10000
1.5 40 200 800 4000
3 20 100 400 2000
H
RPM
6 10 50 200 1000
12 5 25 100 500
30 2 10 40 200
60 1 5 20 100
(Tabla N 11 Tabla de coeficientes del viscosmetro de rotacin)
GRAFICA DE LA DENSIDAD DEL ACEITE 25W 50
(Grafica N 6 Densidad en funcin de la temperatura)
INGENIERIA MECANICA
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9 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
SANTIAGO BURBANO DE ERCILLA, Fsica General. Editorial TEBAR, S.L.
HUMBERTO LEYVA NAVEROS, Fsica II. Editorial Moshera S.R.L: Segunda
edicin 1995.
AVALLONE EUGENE Y BAUMEISTER THEODORF: Manual del Ingeniero
Mecnico.
http://castroll/mx/aceites
http://repsol/mx/aceites_lubricantes
http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad
http://www.monografias.com/trabajos13/visco/visco.shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro
http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/viscosidad/rotacionvis.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Lubricante
http://www.monografias.com/trabajos10/gralu/gralu.shtml