Systèmes fluides

Définition des systèmes fluides

Dans notre parcours éducatif, on nous apprend qu'il existe trois états de la matière : les solides, les liquides et les gaz. Cependant, il est important de comprendre que les liquides et les gaz sont classés dans la catégorie des fluides . Les fluides sont des systèmes de particules qui se déplacent et changent de position facilement.

La force est liée à la pression exercée sur un fluide par l'équation suivante : \( F=PA \), où \(F\) est la force, \( P \), la pression, et \( A\) la surface. Prenons un exemple rapide pour renforcer notre compréhension.

Les solides, en revanche, ont une forme distincte et correspondent à la deuxième loi de Newton, \( F=ma\), où \( F\) est la force, \( m\) est la masse, et \( a\) est l'accélération.

Types de systèmes fluides

Lesfluides sont classés en quatre catégories en fonction de certaines propriétés. Ces catégories comprennent les fluides idéaux, les fluides réels, les fluides newtoniens et les fluides non newtoniens . Les fluidesidéauxsont incompressibles et ont une viscosité nulle. Les fluides incompressibles sont des fluides dont le volume et la densité ne changent pas sous l'effet de la pression. La viscosité fait référence à la friction car la viscosité entraîne une résistance au mouvement en provoquant des forces de cisaillement ou de frottement entre les particules. L'absence de viscosité indique qu'il n'y a pas de frottement dans un fluide idéal. Cependant, il est important de noter que ce type de fluide n'existe pas dans la réalité. Lesfluides réels peuvent être compressibles, et la viscosité est présente, ce qui implique la présence de frottements. Le terme compressible désigne les fluides dont le volume et la densité changent sous l'effet de la pression. L'huile de ricin, l'essence et le kérosène sont des exemples de fluides réels. Les fluides newtoniens ont une viscosité constante où la viscosité n'est pas affectée par la contrainte de cisaillement. L'eau et l'air sont des exemples courants de fluides newtoniens. Les fluides non newtoniens ont une viscosité variable, c'est-à-dire que la viscosité change en fonction de la contrainte de cisaillement. Les sels, le sang, le dentifrice et l'amidon de maïs sont des exemples courants de fluides non newtoniens.

Contrainte de cisaillement

Lorsque des objets parallèles glissent l'un sur l'autre, cette action est connue sous le nom de cisaillement. Ce phénomène se produit dans les fluides et provoque une contrainte de cisaillement.

La contrainte de cisaillement est l'un des deux types de contraintes que subissent les fluides. En physique, la contrainte désigne une force par unité de surface agissant sur une surface infinitésimale. La contrainte est une quantité vectorielle et se divise en contrainte normale et contrainte tangentielle. La contrainte normale comprend les pressions qui agissent vers l'intérieur et perpendiculairement à la surface. La contrainte tangentielle comprend la contrainte de cisaillement. La principale raison pour laquelle la contrainte de cisaillement est présente dans les fluides est la friction due à la viscosité. Les fluides ne peuvent pas résister à la contrainte de cisaillement. Cela signifie que lorsqu'une contrainte de cisaillement est appliquée à un fluide au repos, le fluide se déplace car il est incapable de rester au repos.

Composants du système de fluides

Les composants qui définissent les fluides, ainsi que les solides, sont des molécules microscopiques. Le mouvement de ces molécules détermine l'état de la matière d'une substance. Dans les solides, ladisposition desparticules est fixe car iln'y a pas assez d' énergiethermique pour surmonter les interactions intermoléculaires entre les particules. Les solides ont donc une structure plus compacte parce que les molécules peuvent vibrer mais ne peuvent pas se déplacer ou changer de position avec les molécules voisines. Par conséquent, les solides ont une forme et un volume définis.

Fig.2 - Les molécules des solides sont disposées selon un schéma répétitif et ne peuvent pas se déplacer librement.

En revanche, les liquides et les gaz ont une structure plus lâche. Les liquides ont une énergie partielle qui leur permet de surmonter les interactions intermoléculaires. Ce fait permet aux particules de se déplacer librement tout en restant à proximité les unes des autres . Lesliquides ont unvolumedéfinimais pas deforme .

Fig. 3 - Les molécules d'un liquide restent proches les unes des autres tout en se déplaçant.

Lesgaz, enrevanche,ont suffisamment d'énergie pour surmonter complètement les interactionsintermoléculaires .Cela signifieque les particules se séparentcomplètement les unes des autreset se déplacent librement. Par conséquent, les gaz n'ont pas de forme ou de volume défini.

Fig.4- Les molécules d'un gaz se déplacent librement.

Importance des systèmes de fluides

Pour comprendre l'importance des systèmes de fluides, intéressons-nous à l'hydraulique. L'hydraulique est l'application pratique des fluides et utilise la mécanique des fluides comme base théorique. La mécanique des fluides se concentre sur les forces qui résultent du comportement des fluides. La mécanique des fluides est divisée en deux parties : la dynamique des fluides et la statique des fluides. La statique desfluides est l'étude des fluides au repos, tandis que la dynamique des fluides est l'étude des fluides en mouvement. Les ingénieurs hydrauliques appliquent la mécanique des fluides à l'écoulement de l'eau dans les tuyaux, les pompes ou les canaux ouverts, c'est-à-dire les lacs ou les rivières, ainsi qu'au confinement de l'eau dans les barrages ou les réservoirs. Comprendre la mécanique des fluides permet aux ingénieurs hydrauliques de concevoir des structures et des systèmes hydrauliques alimentés par la pression d'un fluide, afin de résister à une pression intense. Par conséquent, les ingénieurs qui se spécialisent dans ce domaine traitent les questions techniques qui accompagnent la conception et la mise en œuvre de l'infrastructure des fluides. Cependant, en plus de l'infrastructure des fluides, les ingénieurs hydrauliques conçoivent également des machines hydrauliques. Lorsqu'ils conçoivent des machines hydrauliques, ils doivent choisir avec soin le fluide hydraulique approprié, un fluide qui agit comme un transfert d'énergie, afin de garantir le bon fonctionnement d'une machine.

Exemples de systèmes hydrauliques

Les systèmes à fluides utilisent la force des liquides ou des gaz qui s'écoulent pour transporter de l'énergie. Un moyen facile de comprendre cela est de penser à l'acte de respirer. Pour qu'un fluide se déplace, une différence de pression est nécessaire. Chaque fois que nous respirons, nous créons des zones de haute et de basse pression qui permettent à l'air d'entrer et de sortir de nos poumons. Lorsque nous inspirons, nous travaillons en dilatant nos cavités thoraciques pour créer une zone de basse pression à l'intérieur de nos poumons. Une zone de pression plus élevée existe à l'extérieur de nos poumons, ce qui force l'air à entrer dans nos poumons. Lorsque nous expirons, nous travaillons pour réduire le volume de nos poumons, ce qui augmente la pression de l'air à l'intérieur de nos poumons et force l'air à sortir. Rappelle-toi que la puissance et le travail sontliés parce que la puissance est la vitesse à laquelle le travail esteffectué. Ainsi, l'acte de respirer est un exemple de système fluide.