A lo largo del tiempo en el campo de la geología han existido múltiples intentos en medir propiedades físicas de un liquido considerado importante, debido a la estrecha relación que tiene con el desarrollo de la Tierra y múltiples objetos de estudio que en ella se encuentran.

1. Ensayo: Midiendo la viscosidad de la lava en el campo
Sa´ul M´endez Guti´errez
19 de junio de 2020
1. Introducci´on
A lo largo del tiempo en el campo de la geolog´ıa han existido m´ultiples intentos
en medir propiedades f´ısicas de un liquido considerado importante, debido a la estrecha
relaci´on que tiene con el desarrollo de la Tierra y m´ultiples objetos de estudio que en ella
se encuentran.
Este ”liquido”se conoce como lava, la cual es roca derretida proveniente del interior de
la tierra, encontrada alrededor de volcanes; generalmente con una temperatura de entre
700 a 1200C, este compuesto de estructura liquida ha tenido numerosos intentos para
poder determinar su viscosidad, principalmente en las diversas corrientes que en grandes
cantidades de ´este material en movimiento pueden producir.
El estudio del flujo de materiales l´ıquidos o ”solidos suaves”se llama reolog´ıa. Para
el objetivo de esta revisi´on nos concentraremos en la reolog´ıa de la lava, espec´ıficamente
en la propiedad de viscosidad de esta misma, que es fundamental para comprender el
comportamiento del flujo activo de lava como el sistema complejo que es.
El flujo de la lava y la din´amica de este mismo, al ser un sistema complejo est´a bajo
los efectos de diferentes variables, tales como la velocidad, la composici´on de la lava, el
tiempo de erupci´on de el volc´an, etc. Sin embargo las variables reologicas, tales como la
viscosidad son objeto de mayores preguntas a´un sin una respuesta concreta.
2. Contenido
En la composici´on de la lava, la cual influye directamente en estas propiedades, se
encuentran diferentes concentraciones de diversos materiales tales como cristales y bur-
bujas suspendidas en silicato liquido; por lo que la viscosidad depender´a de todas estas
caracter´ısticas especificas, adem´as de otra caracter´ısticas inevitable, el tiempo.
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2. A lo largo del siglo pasado, se realizaron diversas investigaciones experimentales y
modelos te´oricos cuyo fin fue comprender la relaci´on que tienen los cristales y burbujas
inherentes en la composici´on de la lava, con el cambio en el comportamiento del flujo de
esta.
Principalmente se hac´ıan considerando a la lava como un fluido Newtoniano y como un
fluido de Bingham, el cual es un tipo de material ”pl´astico-viscoso”que se comporta como
un cuerpo solido al someterlo a una presi´on baja, pero fluye como un material viscoso a
un estr´es alto (la mayonesa es considerado un fluido de Bingham).
Considerando a la lava como un fluido Newtoniano, la tasa de deformaci´on (γ) es
directamente proporcional al estr´es cortante (τ) por un factor de la viscosidad (η):
τ = ηγ (1)
Teniendo diferentes variaciones, considerando diferentes modelos te´oricos del flujo.
El principal problema para obtener una respuesta adecuada que pueda ser explicada
tanto por los modelos te´oricos o mediciones en laboratorios y las mediciones en el campo
de trabajo, el cu´al es inevitablemente un ambiente peligroso y expuesto a variables mucho
m´as cambiantes, es justamente el dise˜nar la instrumentaci´on adecuada para medir la
viscosidad del flujo de lava en su ambiente natural en condiciones tan dif´ıciles.
A partir del siglo pasado, se conocen diferentes intentos por obtener una medici´on
cada vez m´as exacta de la viscosidad de la lava, dependiendo principalmente de dos clases
de instrumentos de medici´on, conocidos como penetrometros y viscometros rotacionales.
Describiendo ambos instrumentos; ambos miden la relaci´on entre el estr´es o presi´on
aplicada conocida y la tasa de deformaci´on del flujo. El penetrometro mide la resistencia
que la lava opone a la penetraci´on de un objeto, mientras que el viscometro rotacional
mide la torca que se requiere cuando rota una paleta de corte, al estar inmersa dentro de
la lava.
Existen tres diferentes tipos de penetrometros, siendo el m´as simple una barra met´alica
con una punta semiesf´erica que se inserta dentro de la lava, principalmente de acero
inoxidable, debido a las relativas altas temperaturas que soporta y a la relaci´on costo-
beneficio del material.
Tratando de aproximar el funcionamiento emp´ırico de ´este aparato a un modelo ma-
tem´atico, queda que la resistencia viscosa es igual a la mitad de la fuerza de Stokes, en
donde la viscosidad esta dada por:
η =
F
3πur
(2)
Donde F = Resistencia viscosa, u = velocidad de penetraci´on y r es el radio de la
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3. barra.
El segundo tipo de penetrometro, el cual es llamado ”bal´ıstico”, funciona conservando
las mismas variables a considerar pero con otro m´etodo de aplicaci´on. Consiste en disparar
una lanza perpendicularmente a la lava y medir cu´an profundo entr´o.
Ahora para el viscometro rotacional, consta b´asicamente de una espira rotacional que
se sumerge en la lava, la parte te´orica de este instrumento consta del cilindro conc´entrico
en donde la fuerza de torci´on es convertida en esfuerzo cortante y la velocidad rotacional
en velocidad de deformaci´on, utilizando la teor´ıa de Couette, la cu´al dice que el flujo de
Couette es el flujo de un fluido viscoso que se encuentra entre el espacio que hay entre
dos superficies, en donde cada una se mueve tangencialmente con respecto a la otra.
El camino por el cual se comenz´o la carrera para obtener la medida m´as exacta posible
de la viscosidad de la lava est´a desde 1948, en Hekla, Islandia; desde entonces han existido
diferentes y variados intentos con m´ultiples m´etodos para obtener la medida de viscosidad
de la lava m´as precisa posible, se presentar´a una linea de tiempo con los highlights de
todos estos intentos.
1948, Einarsson
En este lugar Einarsson utiliz´o una barra de hierro que clav´o directamente dentro de
la lava aplicando solo su propio peso, mientras media el tiempo con el cual la barra
entraba a la lava. Con esto logr´o obtener una medida cualitativa de la viscosidad,
de aproximadamente 5 × 104
Pas y de 1,5 × 106
Pas
Despu´es de repetidas mediciones cualitativas y c´alculos arcaicos, Einarsson se dio
cuenta del posible efecto que la textura y composici´on de la lava, principalmente de
las burbujas tiene sobre la viscosidad de la lava,, principalmente disminuy´endola.
1965, Shaw
En este a˜no, Shaw utiliz´o un viscometro rotacional en un lavo de lava creado por
una erupci´on volc´anica en Makaopuhi, obteniendo una viscosidad de 6,5 × 102
y
7,5 × 102
Pa s.
1969-1971, Gauthier
En la erupci´on del monte Etna, se utiliz´o un penetrometro bal´ıstico de acero inoxi-
dable, obteniendo una medida de 1×103
y 2,2−7,5×103
Pa s. Esta vez obteniendo
una muestra de la lava, analizando su estructura y compuestos. Aunque de acuerdo
al reporte de Gauthier era extremadamente dif´ıcil obtener una calibraci´on utilizado
este m´etodo.
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4. 1978, Pinkerton y Sparks
Ellos utilizaron tres diferentes instrumentos para conseguir las medidas reologicas de
la lava expulsada igualmente en la explosi´on de Monte Etna. Siendo los principales
resultados, los m´as sofisticados que salieron de un instrumento nombrado ”Marca
2”.
1983, Panov
Panov emple´o un penetrometro en la erupci´on del volc´an Klyuchevskoy; en donde
la fuerza que actuaba sobre la barra, era el peso de la barra y el esfuerzo muscular
que se le aplicaba. La viscosidad fue medida en 1,1 × 104
y 3,6 × 105
Pa s.
1988, Pinkerton
Utilizando un penetrometro como equipo, ya m´as moderno con un motor, se intent´o
obtener las propiedades reologicas de la lava en Oldoinio Lengai, Tanzania. Se obtuvo
1,2 × 102
Pa s.
1994, Pinkerton
En la activa regi´on volc´anica que rodea al Kilahuea, Hawai, se utiliz´o un viscometro
rotacional con un motor el´ectrico de 24V en una lava a una temperatura de 1146
C. Se logr´o medir una viscosidad de 2,2 − 5,5 × 102
Pa s.
2013, Belousov y Belousova
Utilizando un penetrometro simple, se midi´o la velocidad de penetraci´on del instru-
mento dentro de la lava con un v´ıdeo, para despu´es analizarlo cuadro por cuadro.
La lava estaba a una temperatura de 1082C adem´as de posteriormente analizar
su composici´on de silicatos, cristales y burbujas. La viscosidad calculada fue de
0,9 − 2,8 × 103
Pa s.
2018, Chevrel
Chevrel utiliz´o un viscometro rotacional con un motor el´ectrico de 24V con una
peque˜na diferencia en el sensor de la torca medida, en la continua erupci´on del
Kilahuea, Hawai. La temperatura medida de la lava era de 1144 C. La viscosidad
calculada fue de 2,2 × 102
Pa s.
3. Conclusiones
El dispositivo m´as utilizado para medir la viscosidad de la lava ha sido por mucho el
penetrometro, aunque se ha demostrado que este dispositivo no es apto para una viscosi-
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5. dad baja, debido a que se hunde entro de ella r´apidamente. Adem´as que se ha demostrado
que el comportamiento del dispositivo mejora si este se calienta a la temperatura de la
lava, antes de meterlo a ella. Debido a la relaci´on directa entre la composici´on de la lava
y su viscosidad, esta cambia de una materia dependiendo del lugar en donde a erupci´on
haya ocurrido. Adem´as, acerca de las condiciones en las que las mediciones te´oricas jam´as
podr´an ser exactamente iguales a las obtenidas en el campo de trabajo, debido a la na-
turaleza de ambas, hasta que se evalue hasta el cansancio una tecnolog´ıa que considere
sensores t´ermicos y viscometros controlados electr´onicamente que puedan soportar una
tasa de estr´es y de deformaci´on muy grandes.
Referencias
[1] EC Bingham. An investigation of the laws of plastic flow. us bureau of standards
bulletin, 13: 309-353, 1916.
[2] Magdalena Orya¨elle Chevrel, Harry Pinkerton, and Andrew JL Harris. Measuring the
viscosity of lava in the field: A review. Earth-Science Reviews, 2019.
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