Fluides non newtoniens : découvrir le monde fascinant de la matière en mouvement

Introduction

Les fluides non newtoniens constituent une classe fascinante de liquides qui présentent un comportement d'écoulement unique, défiant la compréhension traditionnelle de la dynamique des fluides. Contrairement aux fluides newtoniens, qui suivent une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement et le taux de cisaillement, les fluides non newtoniens présentent des caractéristiques d'écoulement complexes et souvent imprévisibles. Cet article vise à explorer les propriétés intrigantes des fluides non newtoniens, en mettant en lumière leurs applications et les principes scientifiques qui régissent leur comportement.

Comprendre les fluides non newtoniens

Les fluides non newtoniens englobent un large éventail de substances, notamment les gels, les pâtes, les suspensions, et bien d'autres. Ces fluides présentent des propriétés viscoélastiques, ce qui signifie que leur viscosité et leur élasticité peuvent varier en fonction du taux de cisaillement ou de la contrainte. Ce comportement est dû à la présence de macromolécules, de particules ou d'autres éléments structurels dans le fluide.

Classification des fluides non-newtoniens

Les fluides non newtoniens peuvent être classés en plusieurs sous-groupes en fonction de leur comportement sous contrainte de cisaillement. Parmi les types courants de fluides non newtoniens figurent les fluides dilatants, les fluides pseudoplastiques et les fluides thixotropes.

• Les fluides dilatants, tels qu'un mélange de fécule de maïs et d'eau,s'épaississent et deviennents plus visqueux lorsqu'ils sont soumis à une contrainte de cisaillement. Ce comportement est communément appelé épaississement par cisaillement.
• Les fluides pseudoplastiques, comme le ketchup ou la peinture, présentent une diminution de la viscosité lorsque le taux de cisaillement augmente. Ces fluides s'écoulent plus facilement sous contrainte, mais leur viscosité se rétablit lorsque la contrainte est supprimée.
• Les fluides thixotropes, tels que certaines peintures et boues de forage, subissent une diminution de la viscosité en fonction du temps lorsqu'ils sont soumis à une contrainte constante. Avec le temps, la structure du fluide se réorganise, ce qui réduit la résistance à l'écoulement.

Applications des fluides non-newtoniens

Les propriétés uniques des fluides non-newtoniens trouvent des applications dans diverses industries, allant de l'alimentation et des cosmétiques aux produits pharmaceutiques et à l'ingénierie.

1. Industrie alimentaire : les fluides non newtoniens jouent un rôle important dans la fabrication et la transformation des aliments. Par exemple, le comportement épaississant des fluides non newtoniens est utilisé dans la production de sauces, d'émulsions et de vinaigrettes. En outre, le comportement pseudoplastique de certains fluides permet de verser et d'étaler facilement des produits tels que le ketchup et la mayonnaise.
2. Cosmétiques et soins personnels : de nombreux produits de soins personnels, tels que les shampooings, les lotions et les crèmes, contiennent des fluides non newtoniens. Le comportement pseudoplastique de ces fluides assure une application facile et une répartition homogène, offrant une expérience utilisateur agréable.
3. Pharmacie : les fluides non newtoniens trouvent une application dans les systèmes d'administration de médicaments, en particulier dans les formulations orales et topiques. La libération contrôlée des médicaments peut être obtenue en utilisant le comportement rhéofluidifiant de ces fluides.

Principes scientifiques régissant le comportement des fluides non-newtoniens

Le comportement des fluides non newtoniens peut être compris en utilisant les concepts de rhéologie, l'étude de l'écoulement de la matière. Les modèles rhéologiques, tels que le modèle de la loi de puissance et le modèle de Herschel-Bulkley, fournissent des descriptions mathématiques du comportement des écoulements non newtoniens.

Selon le modèle de la loi de puissance, la relation entre la contrainte de cisaillement (τ) et le taux de cisaillement (γ) peut être exprimée comme τ = Kγⁿ, où K est l'indice de consistance et n l'indice de comportement de l'écoulement. Ce modèle est souvent utilisé pour décrire les fluides pseudoplastiques.

Le modèle de Herschel-Bulkley étend le modèle de la loi de puissance en incorporant la limite d'élasticité (τ₀), qui est la contrainte minimale requise pour que le fluide s'écoule. La contrainte de cisaillement dans ce modèle peut être exprimée comme τ = τ₀ + Kγⁿ. Ce modèle est couramment utilisé pour décrire les fluides thixotropes et dilatants.

Conclusion

Les fluides non newtoniens continuent de captiver les chercheurs et les ingénieurs par leurs propriétés intrigantes et leurs applications polyvalentes. En défiant la compréhension conventionnelle de la dynamique des fluides, ces fluides offrent des possibilités d'innovation et de progrès dans diverses industries. La compréhension des principes scientifiques qui régissent leur comportement nous permet d'exploiter leurs propriétés uniques et de développer de nouvelles solutions pour relever les défis du monde réel.

Références

Barnes, H. A. (1999). A Handbook of Elementary Rheology (Manuel de rhéologie élémentaire). Institut de mécanique des fluides non newtoniens de l'Université du Pays de Galles.

Bird, R. B., Armstrong, R. C., Hassager, O. (1987). Volume 1 : Mécanique des fluides. Dynamique des liquides polymériques. Wiley-Interscience.

Dealy, J. M., Wissbrun, K. F. (1999). Rhéologie à l'état fondu et son rôle dans la transformation des matières plastiques : Theory and Applications. Springer Science & ; Business Media.