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Viscosité

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Le liquide orange (à droite) est plus visqueux que le liquide bleu (à gauche).

La viscosité d'un fluide est la résistance d'un fluide au mouvement. Elle dissipe son énergie cinétique, c'est-à-dire que la viscosité limite la vitesse d'écoulement d'un liquide.

Par exemple, dans un trou dans un récipient comme un bateau, un liquide s'écoule d'autant plus vite que sa viscosité est faible. Avec un sirop ou du miel de très forte viscosité l'écoulement est très lent, mais s'effectue néanmoins même si les forces sont très faibles, parfois sur des mois comme avec de la résine d'un arbre comme le pin.

Plus le trou, le tuyau ou la distance entre parois est petite, plus la force ou la pression est grande pour faire passer ce fluide.

La différence avec un frottement solide, comme entre deux feuilles de papier qui glissent l'une par rapport à l'autre, est que le frottement solide à une force de frottement solide minimale qui bloque tout glissement tant que la force tangentielle exercée au contact est insuffisante.

Mesure de la viscosité avec la force F pour un fluide entre deux plaques avec une vitesse relative v, F parallèle à la vitesse v est la force pour tirer la plaque du dessus avec le fluide et F par unité de surface ou pression est égale à la viscosité multipliée par la vitesse v et divisée par la distance d entre les deux plaques

Au contraire pour un fluide avec viscosité de liquide la force de glissement par unité de surface entre feuillets liquides est proportionnelle à la différence de vitesse divisée par la distance perpendiculaire aux feuillets et donc rien n'empêche les mouvement de glissements liquides à très faible vitesse, dans un écoulement dit visqueux lent.

La moindre force provoque un mouvement du fluide, lent si visqueux. Un solide demande une force de frottement minimale, en dessous il est bloqué. Un fluide visqueux n'est jamais bloqué mais très lent.

Par exemple, la confiture, le miel ou la résine très visqueux sur une cuillère pointée vers le bas coulent lentement vers le bas mais sans cesse, si on est patient. Un solide ne coule jamais, bloqué.

La viscosité dissipe en chaleur les différences de vitesses dans un fluide le long des parois ou dans les tourbillons et donc freine les fluides et diminue la pression dans les tuyaux, obligeant à forcer ou pomper pour écouler le fluide sur de longues distances.

Un fluide très visqueux, comme du miel, de la confiture ou de la résine, s'écoule lentement avec peine, sans aucun tourbillon, un écoulement qualifié de laminaire car la dissipation par viscosité élevée bloque leur apparition. En effet les fortes différences de vitesse entre filets de fluide proches sont bloquées par la grande force de viscosité nécessaire pour provoquer une forte différence de vitesse sur de faibles distances perpendiculairement à l'écoulement.

Un tourbillon est un mouvement de rotation du fluide sur lui même qui continue sur plusieurs tours grâce à son énergie cinétique bien plus élevée que l'énergie dissipée à chaque tour par le frottement visqueux. Par exemple, dans une rivière derrière une pile de pont on voit des tourbillons sans cesse créés par le courant de l'eau et qui continuent dans ce courant. Un tel écoulement est turbulent.

Ainsi la vitesse minimale pour provoquer les tourbillons croit avec la viscosité pour laisser exister suffisamment longtemps les tourbillons sur plus d'un tour.

Ce seuil pour créer des tourbillons en vitesse est appelé nombre de Reynolds. Il correspond à l'énergie nécessaire pour donner assez d'énergie cinétique aux tourbillons pour qu'ils vivent plus longtemps que le temps de perte d'énergie par viscosité sur un tour du tourbillon.

Sans tourbillons dans un fluide très visqueux avec écoulement laminaire ou des vitesses trop lentes il est impossible de nager, on se noie comme dans la confiture ou les sables mouvants très visqueux quelques soient les mouvements de nage effectués, et on coule irrémédiablement. On ne peut nager que grâce aux tourbillons créés en nageant avec des mouvements assez rapides. On peut nager dans l'eau mais pas dans le miel !

Sans viscosité, un fluide ne dissipe aucune énergie, et un tourbillon peut s'entretenir de lui-même quasi indéfiniment. On parle alors de superfluide. De tels fluides ne se rencontrent pas dans la vie courante, mais ils existent. On obtient par exemple un superfluide en refroidissant l'hélium à quelques degrés au-dessus du zéro absolu (environ -270° C).


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