LES FLUIDES

« extrêmement riche.

Bien sûr, décrire précisément le mouvement d'une telle masse d'eau est inimaginable, mais il est important de connaître au moins les grandes lignes de la circulation marine car les courants océaniques ont une grande influence sur le climat.

Ces courants sont en partie provoqués par la rotation de la Terre autour d'elle­ même ; l'évolution des masses d'eau dépend également de leur salinité et de leurs températures, qui influent directement sur leur densité (plus l'eau océanique est salée et plus elle est dense).

Des masses d'eau plus denses ont tendance à s'enfoncer sous les masses d'eau moins denses.

• l'eau liquide est aussi présente sur les continents sous la forme de cours d'eau.

On distingue deux types d'écoulements dans les cours d'eau : le régime fluvial et le régime torrentiel .

Dans le régime fluvial, la vitesse est faible, l'eau transparente (si elle est propre) et la surface du cours d'eau lisse; il n'y a pas de turbulence.

Dans le régime torrentiel au contraire, l'écoulement est très agité, il y a de nombreux tourbillons, de l'écume (de la mousse qui rend l'eau opaque).

Tous ces signes indiquent la présence de turbulence.

On peut observer la transition entre ces deux régimes à la maison, en ouvrant doucement un robinet : au début le jet est silencieux et transparenl puis, quand le débit augmente, il se trouble et un bruit caractéristique se fait entendre.

ROCHES ET LAVES Il existe des écoulements de fluides naturels bien plus insolites que l'air ou l'eau :à grande échelle, les roches peuvent se comporter comme des fluides.

C'est le cas dans le manteau, situé sous l'écorce terrestre.

les roches n 'y sont pas immobiles les unes par rapport aux autres, ce qui serait le cas dans un solide, elles se déplacent.

Ce mouvement, très lent (1 cm(an environ), est appelé convection mantellique.

Mais tous les écoulements géologiques ne sont pas lents.

Par exemple, lors de l'éruption d'un volcan , la lave peut couler si vite qu'elle surp rend et détruit des villes entières.

Cela est possible car le réservoir du volcan est rempli de magma (mélange de roches fondues) sous pression.

Lorsque cette pression devient trop importante, la lave jaillit du volcan comme l'eau gazeuse d 'une bouteille qu'on a agitée .

FLUIDES BIOLOGIQUES LE SANG Les cellules de notre corps consomment certains produits (oxygène, sucres) et en rejettent d'autres.

Le sang sert à transporter ces l'organisme.

Il y a 3 types de vaisseaux : les artères , les veines et les capillaires.

Dans les artères , le sang circule des poumons vers les organes.

Il s'agit d'un écoulement rapide dans des canaux de grande taille (1 mm), rythmé par les battements du cœur , dont le but est d'amener le plus rapidement possible l'oxygène vers les cellules.

À mesure qu'elles arrivent dans les tissus , les artères se subdivisent en canaux de plus en plus petits .

Les vaisseaux qui sont directement en contact avec les cellules sont les capillaires , ainsi nommés car leur diamètre est celui d'un cheveu (10 microns).

Or le débit dans un tube cylindrique est donné par la loi de Poiseuille : Q = (rrt.pd ' )/(128~L) où d est le diamètre du tube , L la longueur, t.

p la différence de pression entre les deux extrémités du tube et~ la viscosité du fluide .

le débit d'un capillaire est très faible puisque d est très petit ; l'éco ulement y est donc très lent, permettant la diffusion à travers la paroi :c'est au sein des capillaires qu'ont lieu les échanges vitaux .

LA SÈVE DES ARBRES On a vu que d'après la loi de Poiseuille il fallait une différence de pression entre les deux extrémités d 'un tube pour y faire circuler un fluide .

Les plantes ont développé un mécanisme appelé évapotranspiration qui crée une différence de pression entre les feuilles et les racines pour permettre à la sève de monter dans la tige .

Les canaux allant de la racine vers la feuille se terminent par un pore .

Au soleil, l'eau s'évapore donc à cette extrémité du vaisseau.

Cela crée une dépression au niveau de la feuille et la sève se trouve aspirée vers le haut.

La vitesse de montée de la sève peut atteindre 15 rn/heure .

FLUIDES COMPLEXES De nombreux fluides ne peuvent être décrits par les lois générales de la mécanique des fluides car leur masse volumique et leur viscosité ne sont pas constantes.

Ces fluides « anormaux » (qui sont en fait très nombreux) se nomment fluides complexes .

La science qui étudie leur comportement s'appelle la rhéologie .

Elle a pour but de déterminer les variations de la viscosité en réponse à une force.

Il s'agit d'une science essentiellement expérimentale : si on est capable de déterminer expérimentalement les variations de la viscosité , il n'exis te pas encore de théorie générale qui permettrait d'obtenir directement ces lois.

CAOUTCHOUCS ET PLASTIQUES Caoutchoucs et plastiques sont composés de polymères .

Il s'agit de l'association de petites molécules (monomères) formant de longues chaînes (les polymères ).

Par exemple, une chaîne de polyéthylène est composée de nombreuses molécules d'éthylène juxtaposées .

Les polymères obéissent à des lois physiques plus complexes que les corps purs , en particulier on ne les rencontre jamais à l'état de gaz, mais soit à l'état liquide, soit à l'état vitreux (chaînes bloquées) .

La plupart des polymères, ceux que nous appelons plastiques , qui sont rigides et cassants , sont à l'état vitreux à température ambiante.

D 'autres sont liquides même à température ambiante : les caoutchoucs et les adhésifs.

lorsqu'on étire un caoutchouc , les chaînes de polymères qui le composent glissent l'une par rapport à l'autre .

Dans l'industrie on exploite la transition entre les deux régimes : on chauffe les polymères , on les met en forme à l'état LES GRANUMAIRES Le sable est formé de nombreux petits fragments de roche.

Chaque grain est solide : on ne peut pas le déformer facilement un appuyant dessus .

Pourtant lorsqu'on remplit un seau de sable et qu'on le renverse , le sable coule comme le ferait un liquide.

On dit que le sable est un milieu granulaire.

On rencontre beaucoup de matériau x sous cette forme, notamment à la cuisine : le riz, le sucre, la semoule ...

que l'on mesure dans un verre lors qu'ils sont parfaitement secs.

fondu dans des moules , puis on les laisse durcir.

Mais lorsqu 'il n'est pas contrôlé, ce phénomène peut avoir des conséquences catastrophiques .

Ainsi la navette Challenger a explosé lors de transition vitreuse non souhaitée.

Le jour du décollage, il faisait très froid et les joints garantissant l'étanchéité du réservoir se sont solidifiés, créant une fuite qui provoqua l'incendie de la navette .

GELS ET COUCHES·CULOnES Le but d'une couche-culotte est de piéger du liquide de façon étanche.

Difficile, dans un récipient non fermé ! Il faut trouver un moyen d 'empêcher le liquide de couler .

Pour cela on le transforme en gel.

Les gels que nous connaissons (la gelée de fruits ou le gel coiffant) sont des gels hydratés, c'est-à-dire qu'ils sont composés presque exclusivement d 'eau et d'un peu de gélifiant (qui n'est qu'un polymère soluble dans l'eau ).

Cela suffit pour qu'ils ne coulent pas.

Au fond d 'une couche il y a donc tout simplement un gélifiant déshydraté , qui absorbe le liquide.

Il suffit d'une très petite quantité de produit pour absorber un grand volume, c'est ce qui explique l'efficacité des couches actuelles par rapport aux couches en tissu de nos grand-mères .

PROPRIÉTÉS DES SURFACES MtlANGES ET TENSION INTERFACIALE On peut mélanger plusieurs fluides entre eux : certains se mélangent , comme l'eau et l'alcool, on dit alors qu'ils sont miscibles .

D 'autres se séparent en deux phases , comme l'eau et l'huile , ils sont immiscibles.

Il existe une grandeur caractéristique de la miscibilité de deux fluides: c 'est la tension interfaciale y.

Deux liquides immiscibles à l'équilibre choisissent une position qui minimise leur surface de contact .

Si on les force à se mélanger en les agitant, on forme de petites gouttelettes d 'un fluide dans l'autre , ce qui augmente la surface de contact .

Pour cela il faut fournir une énergie mécanique E = yM, où M correspond à l'augmentation de la surface de contact.

Si l'on cesse d'agiter le mélange , les gouttelettes s'associent très vite pour reformer une nappe d'huile à la surface de l'eau.

Si maintenant on agite le mélange eau- PURQUOI MEnRE DE LA MOUTARDE DANS LA VINAIGRETTE ? Le vinaigre est une solution aqueuse d'acide acétique, c'est-à-dire de l'eau dans laquelle des molécules d'acide sont dissoutes.

Mélanger de l'hulk et du vinaigre revient donc à effectuer un mélange eau-huile ...

ce qui est comme on l'a vu, a priori impossible .

Voilà pourquoi on met de la moutarde pour avoir une vinaigrette bien homogène : comme le savon, elle stabilise les gouttelettes en s'intercalant entre les deux fluides.

Elle abaisse l'énergie de l'interface eau-huile.

Comme l'eau et huile ne sont plus directement côte à côte , elles se repoussent moins violemment et l'émulsion peut durer plus longtemps .

Cela ne veut pas dire que les deux fluides ne finiront pas par se séparer , mais cette séparation se fera sur un temps beaucoup plus long ...

plus long que le temps de manger la salade ! huile en y ajoutant du savon, on obtient un mélange stable d'aspect homogène : cela s'appelle une émulsion .

li s'agit touj ours de gouttelettes réparties dans la solution, mais il n'y a plus de contact direct eau-huile : le savon s'est intercalé entre les deux .

On dit que le savon abaisse la tension interfaciale entre l'eau et l'huile.

HYDROPHOBIE Sur certaines surfaces, comme le fond d'une poêle en téflon , l'eau forme des gouttes presque rondes et s'étale très peu.

On dit qu'une telle surface, généralement rugueuse , est hydrophobe (« qui n'aime pas l'eau » en grec).

li existe des surfaces naturellement hydrophobes , l'exemple le plus célèbre en est la feuille de lotus.

li peut être intéressant de rendre une surface hydrophobe : le revêtement des tables des lycées et collèges est étudié pour que l'encre n'y adhère pas, afin de limiter les tags .

D'où vient l'hydrophobie? Là encore il s'agit d 'un phénomène de tension interfaciale : on appelle ySL la tension interfaciale entre le solide et le liquide .

Pou r créer une surface de contact d'aire A e n tre la goutte et son support il faut fournir une énergie ySL A.

Si cette énergie est plus importante que l'énergie potentielle de pesanteur gagnée lorsque la goutte s'étale, c'est-à­ dire si la goutte est très petite ou si ySL est très grand , alors la goutte minimise sa surface de contact avec le solide : elle reste sphérique.. »