Découvrir les fluides non newtoniens : un guide complet

Vous avez probablement entendu parler de fluides qui semblent défier les lois de la physique : des liquides qui se solidifient soudainement lorsqu'on les frappe ou des gels qui s'écoulent librement jusqu'à ce qu'on les secoue. Ces substances étranges, appelées fluides non newtoniens, se comportent de manière très différente des fluides familiers que nous rencontrons quotidiennement. À mesure que les scientifiques et les ingénieurs découvrent davantage de choses sur ces matériaux particuliers, leurs applications dans des domaines allant de l'aérospatiale à la médecine continuent de se développer.

Dans ce guide complet, nous allons nous plonger dans les fondamentaux de la mécanique des fluides non newtoniens. Nous explorerons ce qui les distingue des fluides conventionnels, les différents types de comportement non newtonien et des exemples de la vie quotidienne que vous pourriez reconnaître.

Qu'est-ce que les fluides non newtoniens

Les fluides non newtoniens sont une classe de fluides qui présentent un comportement unique par rapport à leurs homologues newtoniensContrairement aux fluides newtoniens, pour lesquels la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement est linéaire, les fluides non newtoniens s'écartent de cette linéarité. Cela signifie que leur viscosité, ou résistance à l'écoulement, change en fonction de la contrainte appliquée ou de la durée de la contrainte.

Le terme « non-newtonien » englobe une large gamme de comportements de fluides qui ne suivent pas la loi de Newton sur la viscosité. Cette loi stipule que la contrainte de cisaillement (τ) est directement proportionnelle au taux de cisaillement (γ), la constante de proportionnalité étant la viscosité (μ). Mathématiquement, cette relation s'exprime comme suit :

τ = μγ

Cependant, les fluides non newtoniens n'obéissent pas à cette relation linéaire simple. Leur viscosité peut augmenter (rhéoépaississement) ou diminuer (rhéofluidification) avec l'augmentation du taux de cisaillement, ou ils peuvent présenter un comportement dépendant du temps, comme la thixotropie ou la rhéopexie.

Comment fonctionnent les fluides non newtoniens

Le comportement unique des fluides non newtoniens résulte de leurs microstructures complexes. Ces fluides contiennent souvent des particules en suspension, des molécules à longue chaîne ou des polymères enchevêtrés qui interagissent entre eux et avec le fluide environnant de manière complexe.

Lorsqu'un fluide non newtonien est soumis à une contrainte de cisaillement, la microstructure subit des modifications qui affectent la viscosité du fluide. Par exemple :

• Dans les fluides rhéoépaississants, les particules ou les molécules peuvent former des amas ou des chaînes temporaires qui résistent à l'écoulement, augmentant ainsi la viscosité.
• Dans les fluides rhéofluidifiants, la contrainte appliquée peut provoquer l'alignement ou le démêlage des molécules, réduisant ainsi la viscosité.
• Les fluides dépendant du temps peuvent présenter une dégradation (thixotropie) ou une accumulation (rhéopexie) de leur microstructure au fil du temps, entraînant des changements de viscosité.

Le comportement spécifique d’un fluide non newtonien dépend de facteurs tels que la taille, la forme et la concentration des particules en suspension, ainsi que des interactions entre elles et le fluide environnant.

Fluides newtoniens et non newtoniens

Types de comportement non newtonien

Les fluides non newtoniens peuvent être classés en deux grandes catégories en fonction de leur réponse aux contraintes appliquées : les fluides dépendants des contraintes et les fluides dépendants du temps.

Fluides dépendants du stress

Les fluides dépendants des contraintes présentent une variation de viscosité en fonction de la contrainte de cisaillement appliquée. Il existe deux principaux types de fluides non newtoniens dépendants des contraintes :

• Fluides rhéoépaississants (dilatants):Ces fluides connaissent une augmentation de viscosité avec l'augmentation du taux de cisaillement. Un exemple classique est un mélange d'amidon de maïs et d'eau, souvent appelé « oobleck ». Lorsqu'il est soumis à une contrainte soudaine, comme une agitation ou un impact, le fluide devient plus résistant à l'écoulement, apparaissant presque comme solide. Ce comportement est attribué à la formation d'amas temporaires de particules qui entravent l'écoulement.
• Fluides rhéofluidifiants (pseudoplastiques):Contrairement aux fluides rhéoépaississants, les fluides rhéofluidifiants présentent une diminution de viscosité lorsque le taux de cisaillement augmente. De nombreuses substances courantes, telles que le ketchup, la peinture et le shampoing, entrent dans cette catégorie. Au repos, ces fluides ont une viscosité plus élevée, mais lorsqu'une contrainte de cisaillement est appliquée (par exemple, en pressant une bouteille de ketchup), la viscosité diminue, ce qui permet au fluide de s'écouler plus facilement. Ce comportement est souvent dû à l'alignement ou au démêlage de molécules à longue chaîne sous cisaillement.

Viscosité en fonction du temps

Les fluides non newtoniens dépendants du temps présentent une variation de viscosité au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à un taux de cisaillement constant. Il existe deux principaux types de comportement non newtonien dépendant du temps :

• Fluides thixotropes:Les fluides thixotropes subissent une diminution de viscosité au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à un taux de cisaillement constant. Ce comportement est réversible, ce qui signifie que le fluide retrouvera sa viscosité d'origine une fois la contrainte de cisaillement supprimée. Un exemple courant de fluide thixotrope est le yaourt. Lorsqu'il est agité, le yaourt devient moins visqueux et s'écoule plus facilement, mais il retrouvera progressivement son épaisseur une fois qu'il n'est pas perturbé. La thixotropie est souvent attribuée à la rupture des interactions microstructurelles sous cisaillement.
• Fluides rhéopectiques:Les fluides rhéopectiques, également appelés fluides antithixotropes, présentent le comportement opposé des fluides thixotropes. Ces fluides connaissent une augmentation de viscosité au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à un taux de cisaillement constant. Le comportement rhéopectique est moins courant que la thixotropie et est souvent observé dans certains types de gels et de suspensions. Un exemple de fluide rhéopectique est une suspension de gypse dans l'eau. Lorsqu'elles sont cisaillées, les particules de gypse forment des réseaux interconnectés, augmentant la viscosité de la suspension.

Exemples de fluides non newtoniens de la vie quotidienne

Les fluides non newtoniens sont plus courants dans notre vie quotidienne qu'on ne le pense. Voici quelques exemples courants :

1. Ketchup:Le ketchup est un liquide rhéofluidifiant. Lorsque vous tapotez le fond d'une bouteille de ketchup, vous appliquez une contrainte de cisaillement soudaine, ce qui provoque l'amincissement du ketchup et son écoulement hors de la bouteille plus facilement.
2. Dentifrice:Le dentifrice est un autre exemple de liquide fluidifiant. Il est épais et visqueux lorsqu'il est extrait du tube, mais il se fluidifie et s'étale facilement lorsqu'il est brossé sur les dents.
3. Sang:Le sang est un fluide complexe non newtonien qui présente un comportement rhéofluidifiant. Cette propriété permet au sang de circuler efficacement dans les capillaires étroits du corps.
4. Peinture:De nombreuses peintures sont des fluides rhéofluidifiants. Elles sont épaisses lorsqu'elles sont appliquées au pinceau ou au rouleau, mais s'éclaircissent et s'étalent en douceur lorsqu'elles sont étalées sur une surface.
5. Sables mouvants:Les sables mouvants sont des fluides qui s'épaississent par cisaillement. Lorsqu'elles sont agitées, les particules de sable se bloquent les unes contre les autres, ce qui augmente la viscosité et rend difficile leur évacuation.
6. Mélange de fécule de maïs et d'eau: Souvent appelé « oobleck », ce mélange est un exemple classique de fluide rhéoépaississant. Il se comporte comme un liquide lorsqu'il est agité lentement, mais se solidifie lorsqu'il est soumis à un impact soudain.
7. Pâte à modeler idiote:Silly Putty est un matériau viscoélastique qui présente à la fois des propriétés fluides et solides. Il peut s'écouler lentement sous son propre poids mais rebondira comme un solide lorsqu'il tombera.
8. Mayonnaise:La mayonnaise est un fluide rhéofluidifiant qui présente également un comportement thixotrope. Elle est épaisse et visqueuse au repos, mais se fluidifie et s'étale facilement lorsqu'elle est agitée ou cisaillée.