mardi 16 juillet 2013

Une expérience à deux euros sur les fluides non-newtoniens rhéoépaississants. Et c'est cool !

Un fluide non-newtonien, crédits
Après une semaine d’expériences sur Kidi'Science, pour laquelle j'avais adapté mon billet "Comment mesurer la vitesse de la lumière avec du chocolat et un four micro-ondes", je vous propose aujourd'hui une toute petite expérience sur les fluides non-newtoniens rhéoépaississants. Si cette appellation barbare ne vous parait pas excitante, c'est que vous n'avez pas lu ce billet sur Strange Stuff and Funky Things qui montre, entre autres, comment on peut marcher sur un liquide ! Voici deux petites vidéos de démo :



Plutôt cool non ? Bon ils ont quand même dépensé 350 $ en Maïzena.. Je vous laisse découvrir les autres vidéos directement dans l'article d'origine.

De mon côté, comme je n'ai ni piscine ni usine Maïzena près de chez moi, j'ai opté pour une expérience moins grandiose mais tout aussi intrigante. Pour la reproduire vous aurez besoin d'un paquet de Maïzena (ou un truc d'une autre marque, je ne suis pas encore sponsorisé), d'un récipient quelconque et d'eau. Le protocole est assez simple : versez un tout petit peu d'eau dans le récipient, et videz plus ou moins entièrement votre paquet de Maïzena dedans. Compléter avec de l'eau jusqu'à l'obtention d'une pâte certes liquide, mais étrangement rigide lorsqu'on essaie de touiller. Si vous avez versé trop d'eau, pas de panique, attendez tranquillement dix minutes. Le liquide se sépare en deux phases, avec l'eau en surplus au dessus. Videz l'eau et gardez le liquide blanc. C'est maintenant que ça devient intéressant. Voici ma petite vidéo :


Plus on frappe fort la surface du liquide, plus il est difficile de le pénétrer (je devrais probablement songer à réécrire cette phrase). A l'inverse, si on plonge délicatement son doigt dedans, le liquide réagit comme un liquide ordinaire. Essayez maintenant de le retirer rapidement : il est comme prisonnier. Si vous n'êtes pas trop maniaque de la propreté, vous pouvez balancer une poignée de liquide sur le mur : il rebondit comme une balle, puis s'étale au sol comme de l'eau. Essayez de le ramasser : il se rigidifie sous vos doigts, puis coule de nouveau. 
Un fluide non-newtonien sur une enceinte, crédits.
Comment cela est-il possible ? C'est que la mixture à peu près comestible que vous avez préparée n'est pas un fluide newtonien. Les fluides newtoniens sont décrits avec des équations assez simples et se comportent de façon "classique" : ils répondent de façon proportionnelle aux forces qu'on leur imprime. L'eau par exemple, sauf conditions extrêmes, est un fluide newtonien : elle s'écoule de la même façon quelque soit la vitesse ou la force qu'on lui impose. Les fluides non-newtoniens quant à eux, ne réagissent pas de la même façon, ce qui rend leur description  assez complexe. Si l'on trace sur un graphique la courbe qui montre la résistance au touillage en fonction de la vitesse de touillage, on obtient quelque-chose comme la figure ci-dessous. On voit que ni le mélange "Maizena + Eau", ni la peinture ne sont des liquides newtoniens (pour en savoir plus sur les questions de viscosité et de rhéologie, lire l'article "Jésus et la Maïzena").

La rhéologie de la Maïzena. Schéma issu de l'article "Jésus et la Maizena", sur Science étonnante
En réalité, il n'existe aucun fluide parfaitement newtonien : selon les conditions, tous les fluides peuvent avoir un comportement complexe. L'eau, qui est, comme on l'a dit, l'exemple le plus classique de fluide newtonien, peut devenir un fluide non-newtonien si les vitesses ou les forces en jeu deviennent trop importantes : quand vous faites un plat en plongeant de 10 mètres ou quand vous faites des ricochets sur l'eau par exemple. Mais la plupart du temps, parce que ça ne change pas grand chose et qu'on s'économise des calculs compliqués, on peut les considérer comme tels.

Transition entre le comportement liquide et solide dans une suspension colloïdale rhéoépaississante. Crédits.
Dans la plupart des liquides, newtoniens ou non, plus on exerce une contrainte importante, plus le liquide se déforme et "coule". C'est le cas du ketchup par exemple : plus on appuie fort, plus il se fluidifie, on dit qu'il est rhéofluidifiant. A l'inverse, la préparation de Maïzena est un exemple assez rare de fluide rhéoépaississant : plus la force exercée est importante, plus le liquide s'épaissit, au point de réagir comme un solide à des sollicitations brusques et fortes ! Ce comportement particulier est dû à la structure du liquide, qui constitue une suspension colloïdale. Les colloïdes sont des particules minuscules dispersées dans le liquide. Une force de répulsion les empêche de se regrouper et les maintient en suspension. L’énergie d'un impact permet aux colloïdes de franchir cette barrière énergétique et les particules s’agrègent en amas, ce qui provoque la brusque "solidification" du liquide. Cette transition est extrêmement rapide : elle ne dure que quelques millisecondes. Lorsque l’énergie du choc se dissipe, les particules se repoussent de nouveau et le mélange retrouve sa nature liquide.

Cette propriété étonnante peut trouver des applications très intéressantes : on peut par exemple concevoir des protections (combinaisons, gilets, articulations) contenant un tel liquide. Les protections restent souples lors de mouvements normaux mais se rigidifient en cas de chocs ou d'impacts. Cette technologie est même utilisée dans des "armures" ou des gilets pare-balles ; les couches de kevlar y sont traitées avec un mélange de liquide rhéoépaississant, ce qui permet de diminuer grandement leur épaisseur et leur poids. Ci-dessous, on peut voir comment une balle de golf est stoppée par une ballon rempli d'un mélange eau+fécule de maïs (cliquez ici pour voir la vidéo complète) :

Une balle de golf est projetée sur un ballon contenant un liquide non-newtonien rhéo-épaississant. Crédits : The Backyard Scientist
En avril 2015, une équipe polonaise a fait la démonstration de son gilet pare-balle à base de fluide newtonien ; non seulement le gilet est plus flexible et plus confortable que son équivalent en kevlar, mais en plus, le liquide dissipe mieux l'énergie du choc et réduit le phénomène d'enfoncement, à l'origine de nombreuses blessures et de quelques décès. L'onde de choc étant mieux absorbée, le risque de ricochet de la balle est fortement diminué :


Enfin, on peut aussi fabriquer des protections pour des équipements : téléphones portables, appareils-photo etc. Dans la vidéo ci-dessous, on peut voir un démonstrateur de Tech21 se couvrir le doigt de liquide puis le frapper avec un marteau.

Je vais tâcher de trouver d'autres idées d’expériences et je compléterai avec d'autres vidéos dès que possible ! Tiens d'ailleurs, saviez vous que les fourmis peuvent être considérées comme un fluide non newtonien ? Je vais aussi contacter Maïzena aussi tiens.. Pour finir, une petite vidéo de l'expérience célèbre du haut-parleur, adaptée à la sauce The Big Bang Theory.

3 commentaires:

  1. Que penser du D3O ? http://www.d3o.com/

    RépondreSupprimer
  2. C'est vrai que je n'ai pas parlé des applications possibles :) Je vais rajouter quelques lignes. Merci :)

    RépondreSupprimer