Isaac Newton est réellement l'un des penseurs et physicien ayant apporté le plus au monde de la physique ainsi qu'au monde des mathématiques, sans surprise. Il n'est donc pas non plus étonnant de constater que l'on a nommé certains types de fluides d'après son nom : les fluides newtoniens. Il existe cependant le a contrario des fluides newtoniens, et on les appelle justement les fluides "non-newtoniens". Si tout le monde a nécessairement en tête les thèses de la relativité de Newton, ou plutôt même simplement l'image de la pomme tombant de l'arbre pour atterrir brutalement sur le sol, la physique de Newton ne se limite pas qu'à une pomme !
En physique, les fluides non-newtoniens sont rarement expliqués dans les études en cours de secondaire en Belgique et même ailleurs globalement, contrairement à la géométrie de l'espace par exemple. Il faut donc revenir aux bases même de ce que sont les fluides newtoniens en physique, et ainsi, entrer dans les détails !
La viscosité en physique
En physique, on peut attribuer ou non le caractère de "viscosité" à tout élément liquide ou gazeux. Il y a ainsi des degrés de viscosité. Certains liquides et certains gaz ont un taux de viscosité nul, tandis que d'autres en ont au contraire un taux élevé. L'adjectif qui a été créé pour exprimer le caractère de ceci est "visqueux". On dit que certains liquides et que certains gaz sont visqueux et d'autres non. La viscosité s'applique uniquement à des liquides et à des gaz. Voilà pourquoi nous parlons généralement de "fluides", car le nom est général, et nous ne pouvons par parler uniquement de "liquide" ou de "gaz". Et maintenant, explorons en détail en quoi consiste la viscosité de quelque chose.
En physique, on définit la viscosité comme le fait de résister au mouvement d'un fluide, empêchant que le fluide soit totalement liquide et lisse. Ainsi, durant l'écoulement d'un liquide avec un haut taux de viscosité, on observe que les phénomènes de résistance au mouvement de ce liquide visqueux sont nombreux. L'écoulement se fait donc, comme on dit, avec des "turbulences", et non pas de manière continue homogène. En physique, la turbulence vise à décrire un écoulement de fluide (de liquide ou de gaz, ici) durant lequel la vitesse engendre des formes de tourbillons dans le liquide ou dans le gaz. L'écoulement n'est pas lisse, il est sous la forme de tourbillons.
Les tourbillons en question ne sont pas tous pareils, ils diffèrent beaucoup selon les cas. Qu'est-ce qui varie dans les tourbillons dont nous parlons lors du phénomène de turbulence ? A la fois la taille de ces turbulences, leur localisation ainsi que leur orientation. Au sein même d'un même écoulement, d'ailleurs, les tourbillons de cette turbulence peuvent varier. Lorsqu'il y a turbulence, le fluide ne s'écoule pas avec autant de liberté que d'habitude et dissipe donc son énergie. Comparé à l'étude de la structure de l'univers, nous pouvons ici au moins faire concrètement chez nous l'expérience de ces phénomènes.
Pourquoi la viscosité provoque-t-elle une dissipation de l'énergie du fluide en question ?
Etant donné que la viscosité provoque ceci, nous sommes en droit de nous demander pourquoi il doit y avoir dissipation d'énergie. En réalité, la physique est régulée elle-même par des règles, tout comme l'est la Nature, notre meilleur exemple ! En physique donc, tout ne cesse de se réguler sans cesse. La turbulence observée a lieu en raison d'une trop grande quantité d'énergie cinétique (le mouvement d'une matière) dans certaines parties, pas nécessairement dans toutes, de l'écoulement du fluide en question. Ceci provoque une réaction physique naturelle, car la turbulence est le résultat d'une remise à niveau de l'énergie cinétique "en trop", en excès, afin que donc le fluide s'écoule sans provoquer de problème. Il y a donc un amortissement naturel du fluide visqueux en raison de tout cela.
Les fluides newtoniens
L'exemple le plus simple et parfait des fluides newtoniens est l'eau. En effet, l'H2O est un parfait fluide newtonien car sa viscosité (faible) ne va pas changer selon la force, la pression exercée sur elle. En effet, l'eau liquide reste liquide et très peu visqueuse même si la pression exercée sur elle change. Pour modifier la nature de l'eau, on peut la chauffer ou la refroidir au contraire, par exemple. Quelle que soit la vitesse à laquelle un fluide est agité, s'il demeure le même et ne change pas, alors il s'agit d'un liquide ou d'un gaz newtonien. Toutes les solutions aqueuses sont des fluides newtoniens étant donné qu'elles contiennent par définition de l'eau, ainsi que l'air et de nombreux gaz.
Pourquoi "newtonien", alors ? On parle de liquide ou de gaz "newtonien" en réalité parce qu'il s'agit de fluides qui respectent les lois de la physique newtonienne. On ne parle pas de trous noirs ici ! La viscosité ne se manifeste que lorsque les particules sont en mouvement. Pourquoi ? Parce que c'est lié intrinsèquement à la vitesse, et que donc, en statique, on n'observe rien de ce phénomène. Quand la vitesse est nulle, il n'y a donc aucune force de viscosité. Lorsque les particules n'adhérent pas, alors il s'agit d'un fluide newtonien.
Que se passe-t-il au niveau moléculaire ?
Les particules ne changent pas la viscosité du fluide non-newtonien, et ce peu importe la contrainte reçue, la pression exercée sur ces particules. Prenons un exemple. Mettons de l'eau dans un récipient, et touillons cette eau. Malgré le fait qu'il y a une contrainte extérieure (externe à l'eau donc), une agitation, les molécules ne changent pas la viscosité de l'eau et ne la rendent pas plus visqueuse qu'elle ne l'est sans contrainte ou pression externe. Même avec effort du fluide donc, la viscosité ne change pas car les molécules ne modifient pas leur activité.
Quels sont les fluides non-newtoniens ?
Les fluides non-newtoniens sont nombreux, bien qu'ils soient en moins grand nombre que les fluides newtoniens, considérés comme "purs". Comme exemples connus de fluides non-newtoniens, on peut citer par exemple le miel, le dentifrice, la farine de maïs, l'huile, la crème anglaise, le beurre fondu (plus liquide) ou encore… le sang ! A l'inverse de ce que l'on peut remarquer concernant les fluides newtoniens, l'écoulement des fluides non-newtoniens sera différent si l'on y ajoute une pression, une force extérieure.
Prenons un exemple ! Plus une huile est chauffée, par exemple, et moins elle sera visqueuse. Elle perdra un certain pourcentage de sa viscosité, devenant progressivement plus liquide. C'est pour cette raison qu'en mécanique, on conseille toujours de faire la vidange de sa voiture quand l'huile est encore chaude, afin que celle-ci soit plus malléable et donc moins visqueuse. Les couches de fluide font que certaines entraînent d'autres choses, parce qu'il y a une force parallèle à l'écoulement sur les particules de fluide. On appelle cela une sorte de "cisaillement".
Mais on observe deux phénomènes liés à la vitesse ici : si les couches du dessus tentent d'accélérer le mouvement de l'écoulement, les couches du dessous ne cessent de les freiner dans leur écoulement. Ce qui régule tout car on est en présence de deux forces opposées.
Que se passe-t-il au niveau moléculaire ?
En réalité, tout dépend du type de fluide non-newtonien ! Car ici aussi, on assiste à des différences de taille. Rien de bien compliqué ou de mystérieux à comprendre ici (pas comme l'étude de la matière noire en physique !). Ainsi, les particules molécules ne vont pas réagir de la même manière selon qu'il s'agit d'un fluide non-newtonien rhéoépaississant, rhéofluidifiant, thixotrope ou encore anti-thixotrope.
Les fluides non-newtoniens rhéoépaississants
Chez les fluides rhéoépaississants, les molécules, lorsqu'il y a une pression qui apparaît, ont ici tendance à se regrouper entre elles. Elles forment des espèces de blocs, provoquant un écoulement plus lent puisque les molécules sont devenues plus mobiles. La viscosité a été augmentée de ce fait ! Lorsqu'on continue d'exercer cette pression, on arrive presque à transformer l'état liquide ou gazeux du fluide non-newtonien rhéoépaississant en état solide. Mais en réalité, ce ne pourra jamais être le cas puisque dès que la contrainte cesse, le fluide non-newtonien rhéoépaississant redevient totalement liquide ou gaz, à son état originel. Les molécules glissent de nouveau les unes sur les autres et l'écoulement reprend ainsi "normalement".
Les fluides non-newtoniens rhéofluidifiants
Les molécules de ce type de fluides ont une forme différente, plus allongée, provoquant déjà "naturellement" des problèmes pour l'écoulement puisqu'elles glissent moins les unes sur les autres du à leur forme originale. Ici, sous contrainte, les molécules ne se joignent pas du tout et s'alignent parallèlement, plus ou moins, contrairement aux fluides non-newtoniens rhéoépaississants, permettant donc de bien écouler le fluide. Les fluides rhéofluidifiants s'écoulent donc beaucoup mieux avec contrainte que sans contrainte ! Une fois que la contrainte n'est plus là, ces fluides sont à nouveau difficilement écoulables et leur viscosité augmente.
Les fluides non-newtoniens thixotropes
Dans le cas de ces fluides-ci, ce n'est pas l'intensité de l'action (de la contrainte, donc) qui provoque un changement d'attitude dans les particules du fluide. C'est la durée qui provoque un changement ! Plus la contrainte a lieu sur la durée, et plus la viscosité du fluide non-newtonien thixotrope diminue, le rendant pratiquement liquide. C'en est ainsi du yaourt ! Et également du sable mouvant… L'apparition de la contrainte ne provoque pas de suite un changement, ce dernier n'étant pas instantané contrairement à celui retrouvé chez les fluides rhéofluidifiants.
Les fluides non-newtoniens anti-thixotropes
Enfin, ce dernier type de fluides est assez rare en réalité. L'un des seuls exemples que l'on peut donner est celui, bien connu, de la crème liquide fouettée. Sous la contrainte, les molécules vont réagir exactement comme celles des fluides rhéoépaississants, mais sur la durée. Les molécules (qui rappelons-le sont partout et constituent l'essence même de la physique) ne réagissent pas dès l'apparition de la contrainte, il faut attendre pas mal de temps avant de constater un changement dans le fluide en question ! Après quelque temps, les molécules s'accordent et donnent plus de viscosité au fluide, le rendant moins liquide. Il faut attendre quelque temps avant que le fluide ne revienne à son état normal liquide/gazeux.
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Je fais un exposé dessus et cela ma grandement aidée
Je vous remercie