FLUIDE, physique

Quelques types de fluides

La viscosité ne suffit pas à caractériser de nombreux systèmes fluides. Sans entrer dans le détail de systèmes dont les propriétés d'écoulement n'obéissent pas à la loi de Newton, quelques espèces fluides se dégagent.

Tout d'abord, de nombreux matériaux apparaissent solides si on les sollicite assez vite et liquides dans le cas contraire. On parle de viscoélasticité pour caractériser de tels comportements. C'est le cas de certains matériaux composés de chaînes de polymères enchevêtrées tout comme des spaghettis : si le temps qu'il faut pour que deux chaînes se désenchevètrent est plus long que celui de la sollicitation, ou, ce qui revient au même, si la fréquence à laquelle on sollicite ce composé est plus élevée, le corps apparaîtra solide. Aux temps longs ou aux basses fréquences, le comportement sera au contraire celui d'un liquide. Le nombre de Deborah, rapport de ces deux temps, rend compte de ce changement. Cette notion s'applique au manteau terrestre qui s'écoule sur des échelles de temps géologiques ; les écoulements très lents dus à des gradients de densité dans l'épaisseur de la Terre causent des mouvements de convection thermique à l'origine de l'évolution des plaques de lithosphère, qu'étudie la tectonique des plaques.

De nombreux matériaux ont une viscosité qui varie lorsqu'on augmente la sollicitation. Le comportement rhéo-fluidifiant, le plus fréquent, traduit une viscosité qui diminue lorsque le cisaillement croît. Il en existe de nombreux exemples dans la vie courante (shampooing). Plus rare est le comportement opposé, dit rhéo-épaississant : dans le sable mouillé, les grains qui glissent les uns sur les autres, lubrifiés par l'eau à faible contrainte, s'arc-boutent si la contrainte appliquée est forte (le milieu durcit).

Les fluides à seuil ne s'écoulent que lorsque la contrainte dépasse une certaine valeur seuil. C'est le cas de solutions d'argiles constituées de plaquettes empilées dont l'organisation solide est détruite seulement si les efforts sont suffisants. Dans le cas des fluides de Bingham, le comportement au-dessus du seuil est linéaire.

Les ferrofluides, constitués de particules magnétiques en suspension, présentent des comportements originaux lorsqu'ils sont placés dans des champs magnétiques qui les alignent, ce qui est à l'origine d'applications potentielles variées. Il en est de même pour les fluides électro-rhéologiques soumis à un champ électrique (par exemple dans un système de freins où des chaînes de particules électrisées bloquent le mouvement).

Les cristaux liquides sont des fluides constitués de particules élémentaires (molécules ou éléments polymériques) généralement de forme allongée avec des états d'ordre partiel qui en font, du point de vue cristallographique, des intermédiaires entre le solide et le liquide (d'où l'appellation mésophases). Dans l'état nématique, le moins ordonné, les molécules sont alignées dans une même direction, mais leurs centres de gravité sont distribués au hasard. Les dispositifs d'affichage passif utilisent la facilité d'alignement dans un champ électrique, qui modifie les propriétés optiques extrêmement anisotropes des nématiques.

Signalons enfin le cas des superfluides. L'isotope 4 de l'hélium liquide (⁴He) perd sa viscosité au-dessous de 2,17 kelvins. L'existence d'écoulements persistants et la capacité de s'écouler à travers des pores de taille atomique caractérisent cet état. L'isotope 3 de l'hélium (³He) devient aussi superfluide au-dessous de quelques millikelvins. Il s'agit d'un des phénomènes les plus surprenants de la physique de la matière condensée, dû à la création d'un état cohérent pour des particules (les atomes de [...]