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Quelles différences y a-t-il entre un fluide newtonien et un fluide non-newtonien?

Nous allons tout d'abord nous intéresser au cadre de l'étude des fluides non-newtoniens en physique puis nous définirons la notion de fluide non-newtonien en commençant par la définition d'un fluide newtonien. Nous expliquerons par la suite les différentes notions relatives à l'étude de ces fluides. Et nous finirons par un exemple concret permettant de mieux cerner les différentes réactions des fluides non-newtoniens.

 

 

La rhéologie :

 

L’étude des fluides non-newtoniens fait partie de ce qui est appelé l’étude de la mécanique des milieux continus, qui analyse la déformation des matériaux lorsque les contraintes sont constantes (les contraintes ne subissent pas de variations de vitesse). Plus précisément l’étude des fluides non-newtoniens fait partie de la rhéologie, une discipline qui analyse la déformation de matériaux complexes. Elle est constituée de 2 domaines différents :

 

     L’étude des fluides complexes (non-newtoniens) : des fluides dont l’écoulement ne se produit pas de la même manière que les fluides habituels.

      L’étude des matériaux plastiques (ou ductiles) : des matériaux qui se déforment de manière irréversible à cause d’un réarrangement des atomes ou des constituants.

 

La rhéologie s’intéresse à l'observation aux échelles microscopique et nanoscopique (réarrangement des atomes ou des molécules, leurs mouvements relatifs, ou leurs différences de taille)  ainsi qu'à l'élaboration d'équations pouvant décrire la déformation de ces matériaux.

 

 

Fluides newtoniens :

 

 

Un fluide newtonien est un fluide dont la viscosité ne dépend pas des contraintes qui lui sont appliquées. Autrement dit sa viscosité ne varie pas quand on agite le fluide. Elle peut néanmoins dépendre d'autres facteurs tels que la température. Plus le fluide est chaud moins celui-ci est visqueux, car les molécules sont plus agitées et par conséquent les liaisons entres elles sont moins fortes. A l'inverse plus le fluide est froid, plus il se solidifie, car ses molécules se figent et leur liaisons sont donc plus fortes.

La viscosité du fluide newtonien sera donc constante quelques soient les contraintes exercées.

 

 

Des exemples de fluides newtoniens : l'eau, le miel, le sirop de sucre de canne...

 

Miel

 

 

 

Fluides non-newtoniens :

 

 

 

 

 

 

Dans un fluide non-newtonien, la viscosité ne dépend pas seulement de la température mais aussi d'une contrainte appelée contrainte de cisaillement. La viscosité dépend aussi, chez certains types de fluides non newtoniens, de la durée pendant laquelle cette contrainte est appliquée.

 

 

  La viscosité des fluides non-newtoniens n'est pas forcément constante, elle dépend aussi de la contrainte de cisaillement exercée.

 

 

 

Le cisaillement :

 

 

On parle de cisaillement à l’intérieur d'un fluide, à l'endroit de rencontre de deux parties du fluide allant à des vitesses différentes. En effet à cette intersection le fluide adopte d'autres propriétés car il doit permettre à chacune des parties de « glisser » l'une par rapport à l'autre.

 

Tube cisaillement 1

 

Schéma d'un tube dans lequel s'écoule un fluide.

Les flèches représentent l'écoulement, et

leur taille est proportionnelle à la vitesse de l'écoulement.

 

 

 

La viscosité :

 

 

On dit que la viscosité change mais que signifie la viscosité ?

La viscosité est le paramètre qui définit la résistance à l'écoulement d'un fluide, c'est la consistance plus ou moins épaisse ou sirupeuse d'un fluide qui permet à celui-ci de s'écouler plus ou moins rapidement. Plus un fluide est visqueux plus il s'écoule lentement. Certains fluides sont tellement visqueux que leur écoulement n'est pas visible à l'échelle d'une vie humaine. C'est le cas par exemple pour :

 

Le verre

La glace

 

 

Un exemple concret :

 

Pour mieux différencier les fluides newtoniens et les fluides non-newtoniens, on imagine que l'on place un fluide newtonien (du miel par exemple) dans un bol. On touille le fluide à l'aide d’une cuillère et on mesure la force exercée sur la cuillère et la vitesse de la cuillère dans le bol.

 

On remarque alors que lorsque l'on augmente de deux fois la vitesse, on doit aussi augmenter deux fois la force appliquée. La force et la vitesse sont donc proportionnelles car la viscosité est constante.

 

Exp bol constant

 

 

 

 

 

Maintenant si on place dans le bol un fluide non-newtonien, La force et la vitesse ne seront plus proportionnelles, car la viscosité du fluide variera. En effet la cuillère oblige une partie de fluide à se mettre en mouvement tandis qu'une partie reste immobile ou bouge plus lentement. Il y a donc bien une contrainte de cisaillement et le fluide change de viscosité.

 

 

 

 

Ces deux phénomènes peuvent être montrés grâce à cette formule :

 

Force = Vitesse * Viscosité * Coefficient géométrique

 

*Le coefficient géométrique est alors un coefficient qui dépend de l’expérience c'est-à-dire la taille et la forme du bol et de la cuillère. En effet ces éléments influent aussi sur les mesures, il faut donc effectuer toutes les mesures dans les mêmes conditions pour pouvoir comparer la vitesse et la force, et voir si la viscosité a changé.

 

 

 

 

Il existe plusieurs types de fluides non-newtoniens et selon le type de fluide la force peut être exponentielle par rapport à la vitesse (c'est à dire que la force à exercer augmentera plus rapidement que la vitesse), ainsi la viscosité du fluide augmentera lorsque l'on augmentera le cisaillement. Mais au contraire la force peut être logarithmique (contraire d’exponentielle) par rapport à la vitesse (la force augmentera moins rapidement que la vitesse), donc la viscosité du fluide diminuera alors lorsque l’on augmentera le cisaillement. Il y a donc plusieurs sortes de fluides dont la viscosité ne dépend pas uniquement de la température.

 

 

Découvrir les différents types de fluides non-newtoniens

 

 

 

Sources : https://sciencetonnante.wordpress.com/2010/11/19/jesus-et-la-maizena/

https://cours.espci.fr/site.php?id=2&fileid=309

http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~guazzelli/publiperso/Rheo.pdf

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_(mati%C3%A8re)

http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/comment-coulent-les-fluides.xml

http://www.fondation-nanosciences.fr/templates/1/documents/Evenement/Olympiades/memoire_16.pdf

https://touslesinsolites.wordpress.com/2012/05/21/drole-de-maizena/

http://www-liphy.ujf-grenoble.fr/IMG/pdf/tpe-mariecur804e.pdf   

http://tpe-fluide-rheoepaississant.webnode.fr/iii-les-possibles-utilites-%C3%A0-l'homme/a-un-aspect-de-protection/ 

http://aeropic.free.fr/TPE_fluides_non_newtoniens/

http://tpe-maizena.wifeo.com/i-.php

http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/~guazzelli/publiperso/Rheo.pdf

http://couleur-science.eu/?d=2014/12/06/21/34/17-cest-quoi-un-fluide-newtonien

http://www.mesures.com/pdf/old/081_086_SOL.pdf

 

Sources images : https://sciencetonnante.wordpress.com/tag/viscosite/

https://www.bing.com/images/search?q=miel&view=detailv2&&id=6490EE8810E3F3940A6AB17067C87B1E4080AD17&selectedIndex=6&ccid=uzDvggFX&simid=608024893036364032&thid=OIP.Mbb30ef820157e86378eb890287b4e49bH0&ajaxhist=0

 

Source vidéo :

https://www.youtube.com/watch?v=D-wxnID2q4A