Rhéologie: fluide newtonien et non newtonien 

Rhéologie des fluides ? 

La rhéologie des fluides est une branche de la science qui étudie le comportement mécanique des fluides, c'est-à-dire leur façon de s'écouler et de se déformer sous l'effet d'une force ou d'un stress appliqué. Les fluides, dans ce contexte, peuvent être des liquides ou des gaz.

Les principales caractéristiques étudiées en rhéologie des fluides sont la viscosité, l'élasticité et la plasticité.

1. Viscosité : La viscosité d'un fluide mesure sa résistance à l'écoulement. Un fluide ayant une faible viscosité s'écoulera facilement, comme l'eau, tandis qu'un fluide avec une haute viscosité, comme le miel, s'écoulera plus lentement.

2. Élasticité : L'élasticité d'un fluide se réfère à sa capacité à retrouver sa forme d'origine après avoir été soumis à une déformation. Un fluide élastique est capable de se déformer sous l'effet d'une force, mais il revient à sa forme initiale une fois que la force est retirée.

3. Plasticité : Un fluide plastique se déforme de manière permanente sous l'effet d'une force. Il ne revient pas à sa forme d'origine après la déformation. Les fluides ayant des comportements plastiques sont généralement des matériaux plus complexes que les liquides newtoniens (fluides qui obéissent à la loi de Newton de la viscosité) et peuvent avoir des comportements viscoélastiques.

La rhéologie des fluides est utilisée dans de nombreux domaines scientifiques et industriels, notamment en génie chimique, pétrolier, alimentaire, pharmaceutique, ainsi que dans la modélisation des flux sanguins, les études de matériaux et dans la conception de produits.

Pour caractériser le comportement rhéologique d'un fluide, différents types d'essais peuvent être effectués, tels que des essais de cisaillement, des essais de compression, des essais de relaxation, etc.

Les résultats obtenus permettent de décrire mathématiquement le comportement du fluide à l'aide de modèles rhéologiques appropriés. Ces modèles sont utilisés pour simuler et prédire le comportement du fluide dans des conditions spécifiques.

C'est quoi un fluide ?

Un fluide est un état de la matière caractérisé par sa capacité à s'écouler et à prendre la forme du contenant qui le contient. Contrairement aux solides, qui ont une forme et un volume fixes, les fluides peuvent se déformer et couler en réponse à des forces externes. Les liquides et les gaz sont les deux principaux types de fluides.

Les fluides se distinguent par certaines propriétés physiques, telles que la viscosité, la densité et la compressibilité. La viscosité mesure la résistance d'un fluide à l'écoulement et détermine son comportement d'écoulement, comme étant plus épais ou plus fluide. La densité d'un fluide correspond à sa masse par unité de volume, tandis que la compressibilité fait référence à la capacité du fluide à être comprimé sous l'effet d'une pression.

Les fluides jouent un rôle essentiel dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie, tels que l'hydrodynamique, l'aérodynamique, la mécanique des fluides et la thermodynamique.

Ils sont étudiés pour comprendre leur comportement dans des systèmes tels que les tuyaux, les canaux, les pompes, les turbines, les avions, les véhicules spatiaux et les procédés industriels.

1- Fluide newtonien :

Un fluide newtonien est un type de fluide dont le comportement d'écoulement est décrit par la loi de viscosité de Newton. Cette loi stipule que la contrainte de cisaillement (force par unité de surface) appliquée à un fluide est directement proportionnelle à la vitesse de déformation (taux de variation de la vitesse) du fluide.

Dans un fluide newtonien, la viscosité est une constante qui ne dépend pas de la contrainte de cisaillement ou de la vitesse de déformation. Par conséquent, la relation entre la contrainte de cisaillement et le taux de déformation est linéaire et suit l'équation:

τ = η * dv/dz

où τ est la contrainte de cisaillement, η est la viscosité du fluide, dv/dz est le taux de variation de la vitesse par rapport à la distance dans le fluide.

Un exemple courant de fluide newtonien est l'eau à des températures et des pressions normales. Dans ce cas, la viscosité de l'eau reste relativement constante, indépendamment de la contrainte de cisaillement.

2- Fluide non newtonien : 

Un fluide non newtonien est un type de fluide dont le comportement d'écoulement ne suit pas la loi de viscosité de Newton. Contrairement aux fluides newtoniens, la viscosité des fluides non newtoniens dépend de la contrainte de cisaillement ou du taux de déformation. Cela signifie que leur viscosité peut varier en fonction des forces appliquées et de la façon dont elles sont appliquées.

Les fluides non newtoniens présentent une diversité de comportements. Voici quelques exemples courants :

1. Fluides pseudoplastiques : La viscosité diminue lorsque la contrainte de cisaillement augmente. Cela signifie que plus le fluide est agité ou soumis à une force de cisaillement, plus il devient fluide. Les pâtes, les sauces épaississantes et certaines peintures sont des exemples de fluides pseudoplastiques.

2. Fluides dilatants : La viscosité augmente lorsque la contrainte de cisaillement augmente. Ces fluides deviennent plus épais et plus visqueux lorsqu'ils sont agités ou soumis à des forces de cisaillement. Un exemple courant est le mélange d'amidon de maïs et d'eau, connu sous le nom de mélange de Maïzena.

3. Fluides viscoélastiques : Ces fluides combinent des propriétés visqueuses et élastiques. Ils peuvent se comporter comme des solides élastiques lorsqu'ils sont soumis à une contrainte de cisaillement pendant une période courte, mais comme des fluides visqueux s'ils sont soumis à une contrainte de cisaillement prolongée. Certains gels, colles et matériaux biologiques, tels que le mucus et les fluides synoviaux dans les articulations, présentent un comportement viscoélastique.

Les propriétés des fluides non newtoniens peuvent être influencées par divers facteurs tels que la concentration des particules, la température, la pression et le temps de cisaillement.

Leur comportement complexe a des applications pratiques dans divers domaines, notamment l'industrie alimentaire, les cosmétiques, les produits pharmaceutiques, l'industrie pétrolière, la fabrication de matériaux et la médecine.

Conclusion générale :

En conclusion, un fluide non newtonien est un type de fluide dont la viscosité varie en fonction de la contrainte de cisaillement ou du taux de déformation. Contrairement aux fluides newtoniens, qui ont une viscosité constante, les fluides non newtoniens présentent des comportements viscoélastiques, pseudoplastiques ou dilatants. Leur viscosité peut augmenter ou diminuer en réponse à une agitation ou à une force de cisaillement.

Les fluides non newtoniens ont des applications diverses dans de nombreux secteurs industriels, tels que l'industrie alimentaire, les cosmétiques, la médecine et la fabrication de matériaux. Comprendre et maîtriser leur comportement rhéologique est crucial pour optimiser les procédés de fabrication, la conception des produits et les applications technologiques.

La distinction entre les fluides newtoniens et non newtoniens est essentielle pour appréhender la complexité des comportements d'écoulement des fluides et leurs interactions avec les forces extérieures. Elle permet aux scientifiques, ingénieurs et chercheurs de développer des modèles et des stratégies adaptés à chaque type de fluide, contribuant ainsi aux avancées technologiques et à l'innovation dans de nombreux domaines de l'industrie et de la science.