DESCHAMPS Margaux 1ère Scientifique 5PAGNIER CélineTROUILLON Léa

Les fluides non-newtoniens

Thème: Matière et Forme

Lycée Marie Curie, Echirolles Année scolaire 2013-2014

Sommaire:

Remerciements...................................................................................................... p 3

Introduction........................................................................................................... p 4

I. Les fluides non-newtoniens............................................................................... p 5 1. Présentation de la rhéologie et définitions................................................. p 5 2. Différents types de fluides......................................................................... p 6

a) Caractéristiques principales................................................................. p 6 b) Exemples d'utilisation …...................................................................... p 7 c) Exemple de domaine de recherche ….................................................. p 8

3. Formules et représentation graphique....................................................... p 9 4. Calcul de la viscosité et expérience.......................................................... p 11 5. Influence des paramètres d'expérience..................................................... p 14

a) Taille du trou d'écoulement.................................................................. p 14 b) Température......................................................................................... p 16

II. Les fluides rhéoépaississants.......................................................................... p 17 1. Apparition du phénomène........................................................................ p 172. Utilisation du rhéomètre........................................................................... p 203. Explication du phénomène à l'échelle microscopique..........…............... p 224. Explication du phénomène à l'échelle moléculaire.................................. p 22

III. Application à une compréhension géologique............................................. p 24 1. Convection et remontée asthénosphérique............................................... p 24

a) Convection.......................................................................................... p 24 b) Remontée asthénospherique................................................................ p 25

2. Modélisation par expérience..................................................................... p 25 3. Relation entre asthénosphère et mélange eau/maïzena............................ p 26

Conclusion........................................................................................................... p 27

Annexe................................................................................................................ p 28

Bibliographie...................................................................................................... p 29

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Introduction

La nature a toujours su émerveiller les hommes par sa diversité et sa complexité que l'on retrouve dans certains fluides.

Certains jouets, par exemple, changent de forme et de consistance en fonction de leur environnement (ex: le slime). Dépassant l’intérêt purement récréatif, nous avons décidé de nous renseigner afin de comprendre ces mécanismes. Nous avons découvert que ces jouets destinés aux enfants ne sont pas si simples, mais plutôt complexes: ce sont des fluides non-newtoniens. Nous nous sommes intéressées à ce phénomène, nous nous sommes questionnées sur ce sujet afin d’en découvrir les multiples facettes.

Nous aborderons tout d'abord les fluides non-newtoniens en général, puis nous nous intéresserons plus particulièrement au mélange d'eau et de maïzena, un fluide rhéoépaississant. Enfin nous étudierons comment ces fluides peuvent être utiles à une meilleure compréhension géologique.

Nous nous inscrivons ainsi dans le thème matière et forme.

Problématique: Comment pouvons nous expliquer le changement d’état des fluides non-newtoniens et comment cette étude de la matière peut-elle permettre une meilleure compréhension de la Terre à l'aspect si solide?

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I. Les fluides non-newtoniens

1. Présentation de la rhéologie et définitions

Il faut tout d’abord savoir qu'un fluide est un liquide, ou un gaz (et parfois même un solide!) parfaitement déformable. Il ne possède pas de forme propre.

Les fluides non-newtoniens sont des fluides complexes: ceux que nous avons étudiés existent à l'état solide ou à l'état liquide. Dans notre quotidien, nous sommes entourés de nombreux fluides. Beaucoup sont dits newtoniens. Ils sont prévisibles et leur viscosité, qui est la tendance d'un fluide à s'écouler plus ou moins facilement, est indépendante de la contrainte que l'on peut leur appliquer. Dans notre cas la contrainte est une force par unité de surface.

Prenons l'exemple de l'eau. Si l'on frappe l'eau (en exerçant donc une force sur une surface du liquide) son état, donc sa viscosité, ne change pas, quelle que soit la force de frappe car c'est un fluide newtonien. En revanche le comportement des fluides non-newtoniens n'est pas aussi prévisible car leur viscosité est dépendante de la force appliquée. Ainsi la viscosité de certains fluides augmente quand la force soumise s'accroît. Ils sont appelés fluides rhéoépaississants (dilatant en anglais). A l'inverse, la viscosité de certains fluides diminue lorsqu'ils sont soumis à une force, il s'agit des fluides rhéofluidifiants (pseudoplastic en anglais).

Graphique théorique de la viscosité de différents types de fluides en fonction de la contrainte de cisaillement en unité arbitraire

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La viscosité exprime le degré de résistance d’un fluide aux forces qui lui sont appliquées (contraintes). Elle traduit la difficulté à faire s'écouler ou s'étaler un fluide (à le cisailler).La vitesse de cisaillement représente la tendance d'un fluide à s'écouler en fonction de la contrainte.

Ce sont ces notions de viscosité, de contrainte de cisaillement et de gradient de vitesse (aussi appelé taux ou vitesse de cisaillement) qui vont nous permettre de comparer les différents types de fluides non-newtoniens et de mieux les comprendre.

La rhéologie est la branche de la mécanique des fluides qui concerne les fluides non-newtoniens et les solides plastiques. La limite entre solide et fluide est parfois très étroite d’où la rhéologie.

Tableau explicatif de l'organisation de la mécanique des milieux continus:

Mécanique des milieux continus

Mécanique des solides Élasticité

Plasticité Rhéologie

Mécanique des fluides Fluide non-newtonien

Fluide newtonien

2. Différents types de fluides

a) Caractéristiques principales

Les fluides non-newtoniens se divisent en deux catégories principales: ceux au caractère indépendant du temps et ceux qui en dépendent.Dans cette dernière catégorie nous retrouvons les fluides dits thixotropes et les fluides dits antithixotropes. Les fluides thixotropes ont une viscosité qui diminue avec le temps lorsqu'une force leur est appliquée sans être retirée. C'est l'inverse pour les fluides antithixotropes.

Prenons l'exemple d'un fluide thixotrope. Placé dans une cuve, si une force est exercée, sous l'effet de la contrainte, l'aspect du fluide change. Cette contrainte reste constante et n'est pas retirée. Dans le cas d'un fluide au caractère indépendant du temps, si la contrainte est conservée, l'aspect est conservé, ce qui est donc l'inverse des fluides dépendants du temps, dont l'aspect change progressivement au fil du temps.

Les fluides non-newtoniens au caractère indépendant du temps se classent en différentes catégories: fluides rhéofluidifiants, fluides rhéoépaississants et fluides à seuil. Cependant un fluide peut combiner plusieurs de ces caractéristiques et donc appartenir à plusieurs catégories.Afin de mieux comprendre ces classifications, voici un tableau récapitulatif:

Fluides au caractère indépendant du temps Fluides au caractère dépendant du temps

Rhéofluidifiant Rhéoépaississant A seuil Thixotrope Antithixotrope

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Graphique de la viscosité de fluides thixotropes (thixotropic) et antithixotropes (rheopectic) en fonction de la durée de la contrainte.

b) Exemples d'utilisation

Nous nous intéresserons ici uniquement aux fluides dont le caractère est indépendant du temps. Afin de mieux comprendre les différences entre ces types de fluides il est intéressant de prendre des exemples concrets de fluides connus de tous.Voici quelques exemples de fluides non-newtoniens très connus mais dont les particularités sont souvent ignorées:

- Le ketchup est un fluide rhéofluidifiant. Plus on appuie fortement sur la bouteille plus le ketchup coule rapidement car sa viscosité décroit. - Le dentifrice est un fluide à seuil. Il faut une contrainte minimale pour qu'il s'écoule de son tube.

- Certains types de miels peuvent être considérés comme des fluides rhéoépaississants. En y plongeant doucement un doigt, celui-ci s'enfonce. Si cette opération est renouvelée rapidement, le doigt pénètre difficilement dans le miel.

Il existe également des fluides particuliers, nommés fluides parfaits: pour s'écouler, ils n'ont besoin d'aucune contrainte. Ils peuvent ainsi parfaitement remonter le long d'un récipient sans qu'aucune force extérieure n’intervienne.

Ces fluides aux particularités étonnantes présentent des utilisations et des applications multiples.Ils font l’objet de recherches, et de nouvelles utilisations apparaissent constamment.

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4. Calcul de la viscosité et expérience

Nous avons pris contact avec LIPhy (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique) et nous avons rencontré M. Podgorski, chercheur. Nous avons réalisé une expérience afin de mettre en évidence les particularités des principaux fluides non-newtoniens: rhéoépaississant, rhéofluidifiant et un fluide newtonien pour les comparer.

Expérience:Dans des éprouvettes graduées, dont le fond contient une ouverture de diamètre d'environ 4mm afin de permettre l'écoulement, nous avons versé un même volume de fluide.

Le fluide rhéofluidifiant utilisé était une solution de polymère, le fluide rhéoépaississant un mélange d'eau et de maïzena et le fluide newtonien était une solution de sirop de sucre. Dans cette expérience, la hauteur du tube et donc le poids du fluide est assimilable à la contrainte de cisaillement.Nous avons ensuite filmé l'écoulement de chaque fluide afin de pouvoir mesurer le temps mis pour descendre de 5 graduations.

Tableau des résultats obtenus

Fluide rhéoépaississant Fluide rhéofluidifiant Fluide newtonien

Graduations Temps (s) Temps (s) Temps (s)

80 0 0 0

75 6 1 2

70 12 3 5

65 20 5 8

60 27 7 11

55 35 9 14

50 44 12 18

45 52 16 22

40 61 20 26

35 68 24 30

30 78 30 35

25 85 38 41

20 94 47 48

15 102 61 56

10 109 82 65

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Analysons chaque solution:

Pour le fluide rhéoépaississant, la viscosité augmente avec la force exercée (ici le poids du fluide lui même). Plus les graduations sont élevées, moins la vitesse d'écoulement devrait être importante puisque la viscosité du fluide empêche l'écoulement. Or le débit augmente lorsque les graduations sont élevées puisque la pression du trou d'écoulement est plus importante. Ainsi l'augmentation de la vitesse d'écoulement due à l'augmentation de la pression et la baisse d'écoulement due à l'augmentation de la viscosité s'équilibrent et la vitesse d'écoulement reste stable.

Pour le fluide rhéofluidifiant, nous observons également ce changement de pression avec la hauteur et donc une diminution de la vitesse au cours de l'écoulement. De plus ce fluide devient de plus en plus visqueux lors de l'écoulement du fait de la diminution du poids. Ainsi les deux effets se cumulent et la vitesse d'écoulement diminue grandement.

Pour le fluide newtonien ce changement de viscosité n'existe pas, et le seul facteur influençant la vitesse d'écoulement est la pression qui diminue au cours de l'écoulement: la vitesse d'écoulement diminue.

A partir de ces données nous pouvons calculer une viscosité proportionnelle de chacun des fluides à différentes graduations avec la formule: η ʧ Rh*(dh/dt). R: rayon du trou d'écoulementh: hauteur moyenne des deux graduationsdh:différence de hauteur entre les graduations dt: temps mis pour aller d'une graduation à l'autre

Afin de représenter la viscosité en fonction de la force exercée sur chacun des fluides, nous calculons la masse de chaque fluide aux différentes graduations afin de trouver le poids exercé par le fluide sur lui-même. Nous obtenons le graphique suivant:

13

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,40

5

10

15

20

25

30

Graphique de la viscosité en fonction de la force appliquée

newtonien

rhéofluidifiant

rhéoépaississant

force (N)

Vis

cos

ité (

u.a

)

Ce graphique met donc en évidence les différences de viscosité des fluides en fonction de la force qui leur est appliquée. Pour le fluide newtonien, on remarque une baisse de la viscosité lorsque la force diminue. Cela peut être dû à des imprécisions lors du relevé des mesures. Nous avons également calculé la densité des différentes solution. Celle du mélange eau/maïzena était de 1.59 (il y a eu un ajout de sel pour éviter une sédimentation), celle du polymère (rhéofluidifiant) de 0.98 et celle du sirop de sucre (fluide newtonien) de 1.27.

Nous avons également utilisé d'autres formules pour calculer la viscosité (exacte ou proportionnelle). Cependant les résultats n'étaient pas aussi bons que ceux obtenus précédemment. En effet, la viscosité des trois fluides, mesurée avec la formule h/dh/dt, dérivée des formules citées auparavant ne tenait pas compte des différences de taille des trous d'écoulement des contenants.

Nous avons obtenu les résultats suivants:

Les résultats obtenus montrent donc la diminution ou l'augmentation de viscosité pour les deux fluides non-newtoniens mais les résultats sont moins significatifs que dans le graphique précédent.

5. Influence des paramètres d'expérience

a) Taille du trou d'écoulement

Lors de nos recherches et de l'exploitation des données recueillies dans notre expérience, nous avons été amenées à nous demander en quoi le diamètre de l’orifice de l'éprouvette pouvait influencer le débit du fluide. Nous avons donc mis en place une expérience afin de tester ce paramètre.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

100

200

300

400

500

600

700

Graphique de la viscosité en fonction de la hauteur

newtonien

rhéofluidifiant

rhéoépaississant

hauteur (graduations)

vis

cos

ité (

u.a

)

La vitesse d’écoulement de l’eau est environ 5.5 fois plus rapide pour un diamètre d’écoulement de 8 mm que pour un diamètre de 4 mm.

Nous avions également décidé de réaliser la même expérience avec le mélange eau/ maïzena, mais l’écoulement était trop lent et les données acquises trop peu nombreuses. En effet l’écoulement du mélange pour aller de 200ml à 0ml a pris plus de 4 minutes!

La formule du débit qui confirme notre expérience est: Q = VπR²

Hypothèse:Le diamètre du trou modifie la vitesse d'écoulement, mais pourrait également modifier la viscosité puisque la surface sur laquelle est compressée le fluide par son propre poids change en fonction du diamètre du trou d'écoulement. En effet, pour un petit trou, une grande surface du fluide s'appuyant sur une surface dure, augmenterait la viscosité, dans le cas d'un fluide rhéoépaississant. En revanche, pour un grand trou, une moins grande surface du fluide est en contact avec le fond du tube et la viscosité serait moindre.

b) Température

D’autres facteurs peuvent également modifier la viscosité d’un liquide. La température en fait partie. Prenons l'exemple de l'eau, un fluide newtonien. Plaçons deux bouteilles identiques remplies d'eau dans deux pièces dont la température diffère. Le seul facteur qui change dans cette expérience est alors la température. D'après la documentation, après un certain temps, la mesure précise de la viscosité de l'eau de chacune des bouteilles mettrait en évidence un accroissement de la viscosité dans les températures les plus faibles et une diminution dans les fortes températures.

Le graphique suivant est extrait de la documentation:

Nous pouvons l'interpréter de la façon suivante: lorsque la température augmente, la dilatation thermique entraîne l'espacement des molécules d'eau et la diminution de la viscosité.Les formules décrivant ce changement de viscosité par la température ne sont pas interprétables à notre niveau, nous ne les exploiterons donc pas.

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0 20 40 60 80 100 1200

0

0

0

0

Graphique théorique de la viscosité de l'eau en fonction de la température

eau

Température °C

Vis

cosité

Pa.s

II. Les fluides rhéoépaississants

1. Apparition du phénomène

Dans notre deuxième partie, nous avons choisi de nous intéresser aux fluides rhéoépaisissants: la réalisation d’expériences était simple à mettre en œuvre et nous intéressait particulièrement. Nous avons voulu étudier dans quelles conditions le mélange d'eau et de maïzena s'apparentait à un fluide rhéoépaisissant.

Expérience:Dans un cristallisoir, nous avons versé 100ml d'eau puis nous avons rajouté progressivement la maïzena, en observant à chaque étape la consistance et l'apparence du mélange.

Photo des ingrédients utilisés pour les différentes expériences ainsi que les mélanges obtenus

Eau (mL) Maïzena (g) État au repos État sous contrainte

100 50 Liquide Liquide

100 75 Liquide Liquide

100 100 Liquide Liquide/solide

100 125 Liquide Solide

100 150 Visqueux/pâteux Solide

Nous remarquons donc que le mélange idéal correspond à environ 100mL d'eau et 125g de maïzena c'est à dire à une proportion de 45% d'eau et de 55% de maïzena.

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A partir de ces données, nous sommes en mesure de tracer la courbe, appelée rhéogramme, qui met en évidence le caractère rhéoépaississant de notre fluide:

Le caractère rhéoépaississant du mélange eau/maïzena est donc ici bien confirmé. Lors de notre visite au laboratoire, M. Podgorski nous a expliqué que si l'on prolongeait la courbe, à partir d'une certaines contrainte, le gradient de vitesse se stabiliserait. Il serait le même quelle que soit la contrainte subie.

Photos du rhéomètre utilisé à LIPhy

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25 30 35 40 45 50 550

50

100

150

200

250

Graphique du gradient de vitesse en fonction de la contrainte de cisaillement (axes inversés) du mélange eau/maïzena

gradient de vitesse (1/s)

con

tra

inte

(P

a)

3. E xplication du phénomène à l'échelle microscopique

Lors de notre expérience avec la maïzena, nous avons observé au microscope notre mélange et nous avons comparé la structure de ce même mélange au repos et sous une contrainte de force. ( voir III.a )

Nous avons alors vu des particules entourées d'une enveloppe. Lorsque la pression augmentait, ces «grains» se resserraient et il n'y avait presque plus d'eau entre eux. Nous avons alors supposé que c'était ces particules en suspension dans l'eau qui permettaient au liquide de se durcir lors d'un choc et ainsi qui donnaient au mélange eau/maïzena sa place dans les fluides rhéoépaississants.

En nous documentant, cette hypothèse a été confirmée. En effet ces particules sont appelées colloïdes et ce sont bien elles qui rigidifient le liquide lors d'un impact ou d'une pression. L'impact va chasser les molécules d'eau emprisonnées au milieu des molécules de maïzena et provoquer un durcissement dans cette zone. Dès que l'impact est passé, les colloïdes vont se replacer dans le liquide de façon homogène car ils sont répulsifs entre eux. En effet chaque colloïde possède une charge négative. De plus dans la solution colloïdale, la force gravitationnelle est négligeable.

La maïzena se comporte donc comme un colloïde lorsqu'elle est mélangée à l'eau.

4. Explication du phénomène à l'échelle moléculaire

Hypothèse:

L'amidon est à l'origine de la formation des colloïdes. C'est l'association de l'eau et de cet élément qui permet d'obtenir un fluide rhéoépaississant.

On sait que l'amidon est composé de deux chaînes moléculaires, l'amylose et l'amylopectine. La formule brute de cette dernière est (C6H10O5 ) et celle de l'eau est H2O.

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Formule semi développée de l'Amylopectine

Molécule d'eau en géométrie coudée avec liaisons polarisées

Nous remarquons alors que l'amylopectine contient des liaisons polarisées OH, puisque l'oxygène est beaucoup plus électronégatif que l'hydrogène. L'eau contient elle aussi des liaisons polarisées entre OH. La géométrie de ces deux molécules (coudées autour des atomes O), nous indique qu'elles sont polaires. En effet les barycentres des charges positives et négatives ne sont pas situés aux mêmes endroits.Nous avons alors supposé qu'il s'établissait une liaison hydrogène entre l'amylopectine et l'eau, donnant ainsi l'aspect liquide au mélange. De plus lorsqu'un choc est appliqué, ces liaisons sont détruites et les molécules d'eau s'éloignent des molécules d'amidon, donnant ainsi l'aspect solide au mélange. Dès que l'impact du choc est passé, les liaisons hydrogène se reforment, les colloïdes se réorganisent de façon homogène dans l'eau et le mélange retrouve son aspect liquide.

Cela explique donc les causes des échecs d'obtention d'un fluide rhéoépaississant avec les mélanges eau/farine de blé et huile/maïzena. En effet la farine de blé contient de l'amidon, mais également du gluten, insoluble dans l'eau. Cela empêche donc la farine de blé de se dissoudre correctement dans l'eau, donnant l'aspect pâteux au mélange. Pour le second mélange la formule brute de l'huile est C18H34O2. Or il n'y a qu'une liaison polarisée OH,

les liaisons hydrogènes sont donc moins nombreuses et l'effet inexistant.

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III. Application à une compréhension géologique

1. Convection et remontée asthénosphérique

a) Convection

La convection c'est la dissipation de chaleur par déplacements de roches. Ce phénomène se produit dans le manteau terrestre. Les roches les plus chaudes se situent à de grandes profondeurs et deviennent moins denses du fait de la dilatation thermique. Ainsi ces roches remontent jusqu'à la surface, à une vitesse extrêmement faible. En surface, du fait de la faible profondeur, de la pression moindre, et de l'environnement plus froid, la température des roches diminue et elles s’alourdissent. Ces roches redescendent alors en profondeur et retournent à leur position d'origine. Ce cycle se répète alors. Dans le manteau, soumises à une forte différence de température entre la base du manteau inférieur (isotherme 3 000 °C environ) d'une part et la transition asthénosphère-lithosphère (isotherme 1 330 °C) d'autre part, les roches chaudes, moins denses, ont tendance à s'élever, tandis que les roches froides, plus denses, tendent à s'enfoncer.

Cependant, pour que la convection s'effectue dans un fluide, il faut que certaines conditions soient remplies. En effet, la matière remonte grâce à la force d’Archimède, mais celle ci se heurte à deux autres forces: la résistance visqueuse du fluide et la diffusion de la chaleur qui fait qu'un corps diffuse sa chaleur en remontant et perd donc la force lui permettant de remonter. Pour que le phénomène de convection ait lieu il faut donc que la force d’Archimède soit supérieure aux deux autres effets.

Cela nous donne un premier paramètre, très important pour la convection, appelé le nombre de Rayleigh. Il mesure le rapport entre la force motrice et les deux effets résistants. Pour le système convectif du manteau, le nombre de Rayleigh est estimé à 100 millions. La valeur minimale pour qu'un système entre en convection est de l'ordre de 1000. Ici la valeur est largement dépassée. Même si le manteau est constitué de roches, il entre en convection.

Schéma représentatif de la convection à l'intérieur de la Terre

Le manteau terrestre est constitué de différentes couches. De la croûte au noyau, nous trouvons: la lithosphère, l'asthénosphère, constituant le manteau supérieur, et le manteau inférieur (ou mésosphère).

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b) Remontée asthénosphèrique

La convection dans le manteau entraîne une remontée asthénosphérique au niveau des dorsales océaniques. Cette remontée est à l'origine du renouvellement de la croûte terrestre. Cette remontée rapide de matière, bien supérieure à la vitesse de déplacement lors de la convection, se fait par décompression adiabatique. C'est à dire qu'au vu du temps relativement court de remontée, il n'y a pas d'échanges de chaleur entre cette matière et son environnement. De plus, il y a un changement d'état et de viscosité du magma lors de sa remontée. La température n'entrant donc pas en jeu, c'est le changement de pression qui entraîne le changement de viscosité du matériau.

Hypothèse: La pression, considérée comme une contrainte, modifie l'état du matériau que nous pouvons qualifier de fluide non-newtonien.

2. Modélisation par expérience

Pour modéliser et mettre en évidence ce phénomène de modification de viscosité de l’asthénosphère au cours de sa remontée jusqu’aux dorsales, nous avons réalisé une expérience qui permet une modélisation par analogie.

Nous avons introduit un morceau de beurre de forme et masse identique dans deux bouteilles de même gabarit. Dans l’une d’elle, à l’aide d’un pompe à vélo nous avons augmenté progressivement la pression jusqu’à ne plus pouvoir actionner la pompe. Nous avons ensuite mis ces deux bouteilles, bouchons fermés, dans un bain marie à 35°C et nous avons observé la réaction.

Malheureusement, celle-ci ne s’est pas révélée à la hauteur de nos attentes. En effet, nous nous attendions à ce que le beurre contenu dans la bouteille à pression ambiante fonde, et que celui contenu dans la bouteille sous pression reste à l’état solide avec des traces infimes de fusion. Mais, notre expérience réalisée minutieusement, n’a pas montré les résultats attendus: nous avons observé la fusion des deux morceaux de beurre simultanément.

Nous avons alors recherché les causes de cet échec. Plusieurs raisons sont apparues: le beurre de fabrication industrielle n'est pas un corps pur. De plus, nous supposons que la différence de pression entre les deux bouteilles n’était pas suffisamment importante et n’influençait donc pas significativement le changement d’état du beurre.

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Expérience de simulation du changement d'état d'un corps sous pression

Cette expérience devait montrer l’influence de la pression sur l’état du beurre. D'après nos recherches, c'est un modèle analogique du changement d’état de l’asthénosphère lors de sa remontée jusqu'aux dorsales.

3. Relation entre asthénosphère et mélange eau/maïzena

L’asthénosphère en elle-même peut être modélisée par le mélange eau/maïzena. (Oobleck en anglais). En effet, sur de très grandes durées, le manteau peut être assimilé à un fluide dont la viscosité est très importante. L’asthénosphère, lors d'un déplacement lent, a une certaine fluidité et est ductile. En revanche, dès qu'elle est soumise à des vitesses plus grandes, elle a tendance à se fracturer et à se rompre. En cela son comportement est similaire à celui du mélange eau/maïzena.

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Conclusion

Le changement d'état des fluides non-newtoniens ne se déroule pas de la même façon selon leur nature. En effet, pour les fluides rhéoépaississants, il est dû à la présence de colloïdes qui, en présence d'un choc, se regroupent donnant ainsi un aspect solide au fluide. Pour les fluides rhéofluidifiants, les causes de ce changement ne sont pas les mêmes (voir annexe). La structure des fluides est différente et pour eux, c'est la réorganisation de chaînes de polymères qui permet un changement de viscosité. Pour les fluides à seuil, c'est la rupture des liaisons entre les différentes particules à partir d'une certaine contrainte qui modifie la viscosité du fluide.

Au niveau géologique, nous avons vu que le manteau terrestre pouvait être modélisé par un fluide dont la viscosité est très importante. Ce fluide serait non-newtonien. C'est grâce à l'étude de ces fluides que des modélisations complexes pour comprendre les mécanismes terrestres peuvent voir le jour.

Nous aurions également pu nous intéresser aux protections faites avec des fluides rhéoépaississants et dont l'efficacité n'est plus à prouver, mais ce sujet a été maintes fois exploité.

Ce domaine de la rhéologie est aujourd'hui au cœur de nombreuses recherches pour améliorer des technologies existantes, pour comprendre la nature qui nous entoure et même pour des utilisations futiles telles que l'invention des jouets de demain!

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Annexe

Structure des fluides rhéofluidifiants

Ne nous étant pas particulièrement intéressées aux fluides rhéofluidifiants nous n'avons pas développé cet aspect. Cependant il peut être intéressant d'observer leur structure et de schématiser l'action de ces fluides sous une contrainte. En effet ceux-ci sont souvent constitués de longues chaînes de polymères. Lorsque le fluide est au repos, elles sont désorganisées et n'ont pas de sens particulier. Mais dès qu'une force est appliquée, ces chaînes vont s'ordonner et se placer dans le sens de la contrainte, entraînant ainsi une baisse de la viscosité. Le schéma ci dessous résume très bien ce mouvement.

Chaînes de polymères au repos

Chaînes de polymères sous contrainte

Lorsque la contrainte augmente, la vitesse de cisaillement croît également grâce à la réorganisation des molécules du fluide.

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choc

Bibliographie

Site internet d'un TPE sur les protections faites à base de fluides non-newtoniens:

http://www-liphy.ujf-grenoble.fr/IMG/pdf/TPE-Protections.pdf

Site internet d'un TPE sur les protections faites à base de fluides non-newtoniens:

http://tpefluidesnon-newtoniens.webnode.fr/explication%20du%20phenom%C3%A8ne/

Vidéos, expériences sur le mélange eau-maïzena, observations au microscope du mélange:

http://questions2physique.wordpress.com/2011/03/20/le-melange-eau-maizena/

Expériences, explications et enjeux du mélange:

http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/fondamental/20110224.OBS8638/l-apprenti-chimiste-des-experiences-amusantes.html

Article publié dans le numéro d’août 2011 de Sciences et Avenir

Rhéologie, différents exemples de fluides, de phénomènes:

http://touslesinsolites.wordpress.com/2012/05/21/drole-de-maizena/

Expériences, différentes courbes, rhéologie, explications des différents types de fluides:

http://tpe-maizena.blogspot.fr/

Site internet de l'explication de l'asthénosphère et de l'Oobleck:http://www.education.com/science-fair/article/easy-flow/

Plusieurs pages utilisées:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_%28mati%C3%A8re%29

http://fr.wikipedia.org/wiki/Convection

Cours sur les fluides non-newtoniens:

https://cours.espci.fr/site.php?id=2&fileid=309

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