Fluide non newtonien - Non-Newtonian fluid
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Mécanique des milieux continus |
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Un fluide non newtonien est un fluide qui ne suit pas la loi de viscosité de Newton , c'est-à-dire une viscosité constante indépendante de la contrainte. Dans les fluides non newtoniens, la viscosité peut changer lorsqu'elle est soumise à une force en plus liquide ou plus solide. Le ketchup , par exemple, devient plus liquide lorsqu'il est secoué et est donc un fluide non newtonien. De nombreuses solutions salines et polymères fondus sont des fluides non newtoniens, tout comme de nombreuses substances couramment trouvées telles que la crème anglaise , le dentifrice , les suspensions d' amidon , l'amidon de maïs , la peinture , le sang , le beurre fondu et le shampooing .
Le plus souvent, la viscosité (la déformation progressive par les contraintes de cisaillement ou de traction ) des fluides non newtoniens dépend du taux de cisaillement ou de l'historique du taux de cisaillement. Cependant, certains fluides non newtoniens à viscosité indépendante du cisaillement présentent toujours des différences de contrainte normales ou d'autres comportements non newtoniens. Dans un fluide newtonien, la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement est linéaire, passant par l' origine , la constante de proportionnalité étant le coefficient de viscosité . Dans un fluide non newtonien, la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement est différente. Le fluide peut même présenter une viscosité en fonction du temps . Par conséquent, un coefficient de viscosité constant ne peut pas être défini.
Bien que le concept de viscosité soit couramment utilisé en mécanique des fluides pour caractériser les propriétés de cisaillement d'un fluide, il peut être inadéquat pour décrire des fluides non newtoniens. Ils sont mieux étudiés à travers plusieurs autres propriétés rhéologiques qui relient les tenseurs de vitesse de contrainte et de déformation dans de nombreuses conditions d'écoulement différentes, telles que le cisaillement oscillatoire ou l'écoulement d'extension, qui sont mesurées à l'aide de différents appareils ou rhéomètres . Les propriétés sont mieux étudiées en utilisant des équations constitutives à valeurs tensorielles , qui sont courantes dans le domaine de la mécanique des milieux continus .
Types de comportement non newtonien
Sommaire
Viscoélastique | Matériau Kelvin , matériau Maxwell | Combinaison linéaire "parallèle" d'effets élastiques et visqueux | Quelques lubrifiants , chantilly , Silly Putty |
Viscosité en fonction du temps | rhéopectique | La viscosité apparente augmente avec la durée du stress | Liquide synovial , encre d' imprimante , pâte de plâtre |
Thixotrope | La viscosité apparente diminue avec la durée du stress | Yaourt , beurre d'arachide , solutions de gomme xanthane , gels aqueux d'oxyde de fer, gels de gélatine, gels de pectine , huile de ricin hydrogénée , certaines argiles (y compris la bentonite et la montmorillonite ), suspension de noir de carbone dans du caoutchouc de pneu fondu, certaines boues de forage , de nombreuses peintures , de nombreuses suspensions floc , de nombreuses suspensions colloïdales | |
Viscosité non newtonienne | Épaississement par cisaillement (dilatateur) | La viscosité apparente augmente avec l'augmentation du stress | Suspensions d' amidon de maïs dans l'eau (oobleck) |
Amincissement par cisaillement (pseudoplastique) | La viscosité apparente diminue avec l'augmentation du stress | Vernis à ongles , crème fouettée , ketchup , mélasse , sirops, pâte à papier dans l'eau, peinture au latex , glace , sang , certaines huiles de silicone , certains enduits de silicone , sable dans l'eau | |
Fluides newtoniens généralisés | La viscosité est constante. La contrainte dépend des taux de déformation normale et de cisaillement ainsi que de la pression qui lui est appliquée |
Plasma sanguin , crème anglaise , eau |
Cisaillement épaississant fluide
La viscosité d'un fluide épaississant par cisaillement , ou fluide dilatant , semble augmenter lorsque le taux de cisaillement augmente. L'amidon de maïs en suspension dans l'eau ("oobleck", voir ci - dessous ) est un exemple courant : lorsqu'il est agité lentement, il a l'air laiteux, lorsqu'il est agité vigoureusement, il ressemble à un liquide très visqueux.
Fluide de cisaillement
Un exemple familier de l'opposé, un fluide diluant par cisaillement , ou fluide pseudoplastique, est la peinture murale : la peinture doit s'écouler facilement du pinceau lorsqu'elle est appliquée sur une surface mais ne doit pas couler excessivement. Notez que tous les fluides thixotropes sont extrêmement amincissants par cisaillement, mais ils dépendent de manière significative du temps, alors que les fluides colloïdaux « amincissants par cisaillement » répondent instantanément aux changements de taux de cisaillement. Ainsi, pour éviter toute confusion, cette dernière classification est plus clairement appelée pseudoplastique.
Le sang est un autre exemple de fluide fluidifiant par cisaillement. Cette application est très appréciée dans le corps, car elle permet à la viscosité du sang de diminuer avec l'augmentation du taux de contrainte de cisaillement.
Bingham en plastique
Les fluides qui ont une relation contrainte de cisaillement/déformation de cisaillement linéaire mais nécessitent une limite d'élasticité finie avant de commencer à s'écouler (le tracé de la contrainte de cisaillement par rapport à la déformation de cisaillement ne passe pas par l'origine) sont appelés plastiques de Bingham . Plusieurs exemples sont les suspensions d'argile, la boue de forage, le dentifrice, la mayonnaise, le chocolat et la moutarde. La surface d'un plastique Bingham peut contenir des pics lorsqu'il est immobile. En revanche, les fluides newtoniens ont des surfaces plates et sans relief lorsqu'ils sont immobiles.
Rhéopectique ou anti-thixotrope
Il existe également des fluides dont la vitesse de déformation est fonction du temps. Les fluides qui nécessitent une contrainte de cisaillement progressivement croissante pour maintenir une vitesse de déformation constante sont appelés rhéopectiques . Un cas contraire est un fluide qui s'amincit avec le temps et nécessite une contrainte décroissante pour maintenir une vitesse de déformation constante ( thixotrope ).
Exemples
De nombreuses substances courantes présentent des flux non newtoniens. Ceux-ci inclus:
- Solutions de savon, cosmétiques et dentifrice
- Aliments tels que beurre , fromage , confiture , mayonnaise , soupe , tire et yaourt
- Substances naturelles telles que le magma , la lave , les gommes , le miel et des extraits tels que l' extrait de vanille
- Liquides biologiques tels que le sang , la salive , le sperme , le mucus et le liquide synovial
- Boues telles que les boues de ciment et la pâte à papier, les émulsions telles que la mayonnaise et certains types de dispersions
Oobleck
Un exemple peu coûteux et non toxique d'un fluide non newtonien est une suspension d' amidon (par exemple, de la fécule de maïs) dans de l'eau, parfois appelée « oobleck », « boue » ou « boue magique » (1 partie d'eau pour 1,5–2 parties d'amidon de maïs). Le nom "oobleck" est dérivé du livre du Dr Seuss Bartholomew and the Oobleck .
En raison de ses propriétés dilatantes , l' oobleck est souvent utilisé dans les démonstrations qui présentent son comportement inhabituel. Une personne peut marcher sur une grande baignoire d'oobleck sans couler en raison de ses propriétés d'épaississement par cisaillement, à condition que l'individu se déplace suffisamment rapidement pour fournir suffisamment de force à chaque pas pour provoquer l'épaississement. De plus, si l'oobleck est placé sur un gros caisson de basses alimenté à un volume suffisamment élevé, il s'épaissira et formera des ondes stationnaires en réponse aux ondes sonores à basse fréquence du haut-parleur. Si une personne frappait ou frappait un oobleck, il s'épaissirait et agirait comme un solide. Après le coup, le oobleck retournera à son état liquide mince.
Flubber (bave)
Le flubber, également connu sous le nom de slime, est un fluide non newtonien, facilement fabriqué à partir de colles à base d' alcool polyvinylique (telles que la colle blanche « école ») et de borax . Il s'écoule sous de faibles contraintes mais se rompt sous des contraintes et des pressions plus élevées. Cette combinaison de propriétés de type fluide et solide en fait un fluide Maxwell . Son comportement peut également être décrit comme étant viscoplastique ou gélatineux .
Garniture au caramel réfrigéré
Un autre exemple de ceci est la garniture de crème glacée au caramel réfrigérée (tant qu'elle incorpore des hydrocolloïdes tels que la carraghénine et la gomme gellane ). L'application soudaine de la force - en poignardant la surface avec un doigt, par exemple, ou en renversant rapidement le récipient qui le contient - fait que le fluide se comporte comme un solide plutôt que comme un liquide. C'est la propriété " d' épaississement par cisaillement " de ce fluide non newtonien. Un traitement plus doux, comme l'insertion lente d'une cuillère, la laissera à l'état liquide. Essayer de retirer la cuillère à nouveau, cependant, déclenchera le retour de l'état solide temporaire.
Mastic stupide
Silly Putty est une suspension à base de polymère de silicone qui s'écoulera, rebondira ou se cassera en fonction de la vitesse de déformation.
Résine végétale
La résine végétale est un polymère solide viscoélastique . Lorsqu'il est laissé dans un récipient, il s'écoule lentement sous forme de liquide pour se conformer aux contours de son récipient. Cependant, s'il est frappé avec une plus grande force, il se brisera comme un solide.
Sables mouvants
Quicksand est un colloïde non newtonien éclaircissant par cisaillement qui gagne en viscosité au repos. Les propriétés non newtoniennes du sable mouvant peuvent être observées lorsqu'il subit un léger choc (par exemple, lorsque quelqu'un marche dessus ou l'agite avec un bâton), se déplaçant entre sa phase Gel et Sol et se liquéfiant apparemment, provoquant des objets à la surface du sable mouvant couler.
Ketchup
Le ketchup est un fluide diluant par cisaillement . L'amincissement par cisaillement signifie que la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation de la contrainte de cisaillement . En d'autres termes, le mouvement des fluides est initialement difficile à des vitesses de déformation lentes, mais s'écoulera plus librement à des vitesses élevées. Secouer une bouteille de ketchup à l'envers peut la faire passer à une viscosité plus faible, entraînant un jaillissement soudain du condiment dilué par cisaillement.
Écoulements granulaires secs
Dans certaines circonstances, les écoulements de matériaux granulaires peuvent être modélisés comme un continu, par exemple en utilisant la rhéologie μ ( I ) . De tels modèles de continuum ont tendance à être non newtoniens, car la viscosité apparente des écoulements granulaires augmente avec la pression et diminue avec le taux de cisaillement. La principale différence est la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement.
Voir également
- Fluide complexe
- Dilatateur
- Dynamique des particules dissipatives
- Fluide newtonien généralisé
- Fluide Herschel-Bulkley
- Liquéfaction
- Équations de Navier-Stokes
- fluide newtonien
- Pseudoplastique
- Sables mouvants
- Argile rapide
- Rhéologie
- Superfluides
- Thixotropie
- Effet Weissenberg
Les références
Liens externes
- Expériences classiques avec des fluides non newtoniens par le National Committee for Fluid Mechanics sur YouTube