Sommaire

  • Introduction.

  • I-Pourquoi un corps entre aisément dans le mélange eau-maïzena à faible vitesse, mais ne peut y rentrer à vitesse élevée ?

  • Observations de l'expérience.

  • Qu'est ce qui explique ce phénomène ?

  • Comparaisons de viscosités.

  • Conclusion (1ère partie).

  • II-Pourquoi le sang, fluide non-newtonien,a un comportement différent de celui du mélange eau-maïzena ?

  • Composition du sang.

  • Fonctions du sang.

  • Réseaux de circulation du sang.

  • Conclusion (2ème partie).

  • Conclusion génarale.

  • Lexique.

  • Bibliographie.

  • Elargissement du sujet.

INTRODUCTION AU TPE

LES FLUIDES NON-NEWTONIENS
Pourquoi appelle-t-on cela un fluide non-newtonien ?
Newton était à l'origine de la mécanique des fluides, il a étudié le comportement des fluides, seul des fluides newtoniens entrent dans la mécanique des fluides, c'est pourquoi les autres sont considérés comme non-newtoniens.
--> L'homme et la nature ont des relations complexes.
En effet, la nature nous apporte de nombreuses connaissances, car dans des milieux naturels on observe des propriétés physiques exploitées par les hommes.
Par exemple, nous allons nous pencher sur l'étude de l'amidon de maïs : la maïzena. On peut remarquer que lorsque la maïzena est mélangée à de l'eau, elle présente des propriétés physiques inhabituelles que l'on peut exploiter dans la mesure où elle nous permet de comprendre le comportement de certains fluides tels que les sables mouvants ...
Egalement, l'étude du sang, fluide non-newtonien, nous a amené à la problématique suivante :
"En quoi le mélange eau-maïzena et le sang, qui sont tous les deux des fluides non-newtoniens, ont des comportements différents ?"

I- Pourquoi un corps entre aisément dans le mélange eau maïzena à faible vitesse, mais ne peut y rentrer à vitesse élevée ?

Observation de l'expérience

  • Le mélange eau-maïzena change d'état physique : quand on lui applique une force trop rapidement il devient solide. En fait, sa déformation n'est pas proportionnelle à la force qu'on lui applique.
  • L'état physique de l'eau ne change pas quand on lui applique une force.

Qu’est ce qui explique ce phénomène ?

Ce phénomène est lié à la viscosité :
  • Viscosité : propriété de résistance à l'écoulement uniforme et sans turbulence se produisant dans la masse d'une matière.

  • Viscosité cinématique = viscosité dynamique / masse volumique

  • Viscosité dynamique = contrainte de cisaillement / vitesse de cisaillement

  • Contrainte de cisaillement = force / surface

  • Vitesse de cisaillement = gradient de vitesse

  • gradient de vitesse = variation de vitesse / variation de distance, c'est à dire variation de vitesse dans l'espace

Comparaisons de viscosités

1) Viscosité de l'eau
Rhéogramme d'un fluide newtonien tel que l'eau
τ : contrainte de cisaillement.
Ė : gradient de vitesse.
µ : viscosité dynamique.
contrainte de cisaillement en fonction du gradient de vitesse
On remarque que la variation de la contrainte de cisaillement de l'eau en fonction du gradient de vitesse varie de façon linéaire.
Autrement dit, plus la vitesse de la force appliquée au fluide est grande, plus le fluide se déforme.

Comparaisons de viscosités

2) Viscosité du mélange eau-maïzena Rhéogramme d'un fluide non-newtonien tel que le mélange eau-maïzena ( même légende que ci-dessus) contrainte de cisaillement en fonction du gradient de vitesse. (http://www.educnet.education.fr/rnchimie/phys/rheo/cours/rheo.htm) On remarque que contrairement à un fluide newtonien tel que l'eau, le mélange eau-maïzena ne se déforme pas de la même manière. En effet, la contrainte de cisaillement ne varie pas de façon linéaire en fonction du gradient de vitesse.

Conclusion (1ère partie)

Il existe deux types de fluides : Newtoniens et non newtoniens.
  • Les fluides newtoniens ont une viscosité constante qui ne varie qu'en fonction de la température ( par exemple l'eau se solidifie seulement lorsque la température est inférieure à 0°C)

  • Les fluides non newtoniens ont une viscosité qui dépend non seulement de la température, mais aussi des forces qui s'exercent sur lui (vitesse, valeur de la force, surface) ainsi que la densité du fluide.

II- Pourquoi le sang, fluide non-newtonien, a un comportement différent de celui du mélange eau-maïzena ?

Comparons le rhéogramme du sang à celui du mélange eau-maïzena ! Rhéogramme du mélange eau-maïzena Comme nous l'avons vu précédemment, la viscosité ne varie pas de façon linéaire. Les fluides comme le mélange eau-maïzena ou encore les sables mouvants, ont un rhéogramme tel que la pente de la droite augmente quand la contrainte de cisaillement augmente. Rhéogramme du sang

Sur le rhéogramme du sang, on remarque que comme le mélange eau-maïzena, sa viscosité n'est pas linéaire, cependant, la pente de la droite du rhéogramme diminue quand la contrainte de cisaillement augmente.

Composition du sang

Le sang est composé :

  • d'une partie liquide : le plasma.

  • d'une partie solide : les globules rouges, les globules blancs et les plaquettes. Le plasma est essentiellement constitué d'eau dans laquelle peuvent se dissoudre de nombreuses substances : l'oxygène et gaz carbonique, les sels, les sucres, des graisses, des protéines ...

Fonctions du sang

le sang sert à transporter rapidement des substances d'une partie à l'autre du corps. Ses fonctions les plus importantes sont :
  • transporter l'oxygène des poumons aux cellules.

  • transporter le dioxyde de carbone.

  • transporter des substances vitales comme par exemple le glucose.

  • transporter l'urée.

  • transporter de l'eau et des minéraux partout ou ils sont nécessaires.

  • défendre le corps contre les microbes qui produisent des infections, grâce à l'action des globules blancs.

  • garder constante la température du corps.

  • Grâce à l'action des plaquettes, boucher toutes les blessures.

Réseaux de circulation du sang

Le sang circule dans un réseau dans lequel on distingue :
  • un secteur artériel qui distribue le sang du cœur vers la périphérie.

  • un secteur capillaire d'échanges avec les cellules.

  • un secteur veineux qui permet le retour du sang de la périphérie vers le cœur.

Conclusion (2ème partie)

Le changement d’état du sang, tout comme celui du mélange eau/maïzena, ne dépend pas seulement de la température contrairement aux fluides newtoniens, mais également de la force qui lui est appliqué ( vitesse, valeur et surface ),ainsi que la densité du fluide.

Conclusion

Grâce à l'étude du sang et du mélange eau/maïzena, nous avons pu observer que ces deux fluides avaient des comportements différents, on a pu donc conclure qu'il existe deux types de fluides non-newtoniens :

  • Les fluides non-newtoniens rhéofluidifiant ( le sang...) Ces fluides ont une viscosité qui diminue si la contrainte de cisaillement augmente ou si la vitesse de déformation augmente.
  • Les fluides non-newtoniens rhéoépaississant ( eau/maïzena...) Ces fluides ont une viscosité qui augmente si la contrainte de cisaillement augmente.

LEXIQUE

  • Les fluides sont des milieux matériels parfaitement déformables.

  • Les fluides newtoniens ne sont ni solides ni épais, coulent aisément. Ils épousent la forme de leur contenant.

  • Les fluides non newtoniens sont des milieux dont la viscosité n'est pas constante. Leur viscosité va dépendre des forces qui leur sont appliquées.

  • Qui est Isaac Newton ? Isaac Newton (1642-1727) est un physicien, philosophe, astronome, et mathématicien anglais, considéré comme l’un des plus grands scientifiques de tous les temps. Newton a formulé des lois sur la gravitation universelle et sur les corps en mouvement. Ces lois fondamentales expliquent de quelle façon les objets se déplacent sur terre comme dans les airs.

bibliographie

Elargissement

Nous avons voulu savoir si un tel type de fluide (non-newtonien) avait une utilité dans la vie courante. En effet, comme le montre l'expérience de l'oeuf, le mélange eau-maïzena absorbe les chocs et protège l'oeuf. Nous avons recherché si ces fluides étaient utilisés pour leur comportement inhabituel, et effectivement, les Américain on mis au point des gilets pare-balles contenant des fluides non-newtoniens permettant d'absorber les chocs des balles.
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