Fluide non newtonien

Classification des fluides avec contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement.

La viscosité d'un fluide rhéoépaississant (en), semble augmenter lorsque la vitesse 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 semble laiteux, lorsqu'il est agité vigoureusement, il se sent comme un liquide très visqueux.

La peinture est un fluide non newtonien. Une surface plane recouverte de peinture blanche est orientée verticalement (avant de prendre la photo la surface plane était horizontale, posée sur une table). Le fluide commence à s'égoutter sur la surface mais, en raison de sa nature non newtonienne, il est soumis à des contraintes dues à l'accélération gravitationnelle. Par conséquent, au lieu de glisser le long de la surface, il forme des gouttelettes très grosses et très denses avec un ruissellement limité.

Un exemple familier du contraire, un fluide de fluidification 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 pas s'égoutter excessivement. Notez que tous les fluides thixotropes sont extrêmement fluidifiants par cisaillement, mais ils sont significativement dépendants du temps, alors que les fluides colloïdaux « pseudo-plastique » 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 pseudo-plastique. Cette application est très favorisée dans le corps, car elle permet à la viscosité du sang de diminuer avec l'augmentation du taux de déformation par cisaillement.

Les fluides qui ont une relation de contrainte de cisaillement/déformation de cisaillement linéaire mais qui 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 fluides 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 corps de Bingham peut contenir des pics lorsqu'elle est immobile. En revanche, les fluides newtoniens ont des surfaces plates sans relief lorsqu'ils sont immobiles.

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 celui d'un fluide qui s'amincit avec le temps et nécessite une contrainte décroissante pour maintenir une vitesse de déformation constante (thixotrope).

Démonstration d'un fluide non newtonien à Universum à Mexico

Oobleck sur un subwoofer. L'application d'une force à l'oobleck, par des ondes sonores dans ce cas, fait épaissir le fluide non newtonien[6].

Un exemple peu coûteux et non toxique d'un fluide non newtonien est une suspension d'amidon (par exemple, fécule de maïs) dans de l'eau, parfois appelée oobleck, ooze ou magic mud, obtenue typiquement avec un volume d'eau pour un et demi à deux volumes d'amidon de maïs[7] - [8] - [9]. Le nom oobleck est dérivé du titre du livre du Dr Seuss, Bartholomée et l'oobleck (en).

En raison de ses propriétés, 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 au 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 grand subwoofer alimenté à un volume suffisamment élevé, il s'épaissira et formera des ondes stationnaires en réponse aux ondes sonores basse fréquence du haut-parleur. Si une personne frappe ou marche sur un oobleck, il s'épaissira et agira comme un solide. Après le coup, l'oobleck retournera à son état mince semblable à un liquide.

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 (comme 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 fluides et solides en fait un fluide de Maxwell. Son comportement peut également être décrit comme étant viscoplastique ou gélatineux.

Un autre exemple est la garniture de crème glacée au caramel réfrigérée (à condition qu'elle incorpore des hydrocolloïdes tels que la carraghénine et la gomme gellane). L'application soudaine d'une force - en poignardant la surface avec un doigt, par exemple, ou en retournant rapidement le récipient qui la retient - fait que le fluide se comporte comme un solide plutôt que comme un liquide. C'est la propriété d'épaississement par cisaillement (en) de ce fluide non newtonien. Un traitement plus doux, comme l'insertion lente d'une cuillère, la laissera dans son état liquide. Cependant, si l'on essaie brusquement de faire sortir la cuillère, cela déclenchera le retour de l'état solide temporaire.

Le Silly Putty est une suspension à base de polymère de silicone qui coule, rebondit ou se brise en fonction du taux de déformation.

La résine végétale est un polymère solide viscoélastique. Lorsqu'il est laissé dans un récipient, il s'écoulera lentement comme un liquide pour se conformer aux contours de son récipient. S'il est frappé avec plus de force, cependant, il se brisera comme un solide.

Le sable mouvant est un colloïde non newtonien pseudo-plastique 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), passant entre sa phase Gel et Sol et apparemment se liquéfiant, provoquant des objets à la surface des sables mouvants.

Le ketchup est un fluide pseudo-plastique[2] - [10]. 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 du fluide est initialement difficile à des vitesses de déformation lentes, mais s'écoulera plus librement à des vitesses élevées. Le fait de secouer une bouteille de ketchup inversée peut la faire passer à une viscosité inférieure, entraînant un jet soudain du condiment dilué par cisaillement.

Dans certaines circonstances, les écoulements de matériaux granulaires peuvent être modélisés comme un continuum, par exemple en utilisant la rhéologie μ(I). Ces 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.