La mécanique des fluides est une branche de la physique qui étudie les fluides au repos (statique) et en mouvement (dynamique). Les fluides sont des substances qui n'ont pas leurs formes, comme l'eau ou l'air et s'adaptent au récipient qui les contient.
L'étude de la statique et de la dynamique des fluides trouve de nombreuses applications dans la vie courante, de la conception de tuyauteries et de moteurs au calcul de la résistance de l'air à la vitesse d'un avion.
Cet article vous présentera les bases de la mécanique des fluides ainsi que les propriétés et utilisations des fluides.
Qu'est-ce qu'un fluide ?
Un fluide est une substance qui épouse la forme du récipient dans lequel il se trouve et s'écoule. La mécanique des fluides étudie le comportement des fluides en mouvement et leur interaction avec les objets en contact avec eux. Les fluides sont divisés en deux catégories : les fluides newtoniens et non newtoniens.
Les exemples les plus connus de fluides sont les liquides et les gaz, mais la mécanique des fluides comprend également l'étude des plasmas, des colloïdes et des fluides complexes.
Il existe deux types de mouvement fluide : statique et dynamique. Dans les fluides statiques, le fluide est au repos et ne bouge pas. Les seules forces agissant sur le fluide sont celles dues à la gravité et à d'autres forces externes (telles que la résistance de l'air). En revanche, dans un fluide dynamique, le fluide est en mouvement et subit à la fois des forces visqueuses et inertielles.
Qu'est-ce que la statique des fluides ?
La statique des fluides est la branche de la mécanique des fluides qui traite de l'étude des fluides au repos. Dans ce type d'écoulement, les forces agissant sur les particules de fluide sont équilibrées, il n'y a donc pas de mouvement. Il concerne la pression qu'un fluide exerce sur un corps et les forces qui maintiennent le fluide en équilibre.
Il existe plusieurs principes pour étudier les fluides statiques, tels que le principe d’Arquimedes.
Le principe d'Archimède est un concept clé en mécanique des fluides. Il stipule que la force ascendante exercée sur un objet immergé dans un fluide est égale au poids du fluide déplacé par l'objet. Ce principe peut être utilisé pour calculer la force de flottabilité sur un objet.
Qu'est-ce que la dynamique des fluides ?
La dynamique des fluides est la branche de la mécanique chargée d'étudier le mouvement des fluides. C'est une vaste discipline englobant diverses sous-branches, telles que l'hydrodynamique, l'aérodynamique ou la cinétique.
En général, les principes de la mécanique des fluides statiques peuvent être appliqués à tous les fluides, tandis que les principes de la mécanique des fluides dynamiques sont spécifiques aux fluides visqueux (qui résistent à l'écoulement d'un fluide).
Le mouvement d'un fluide dynamique peut être laminaire ou turbulent. L'écoulement laminaire est un type de mouvement de fluide dans lequel le fluide s'écoule en couches parallèles sans se mélanger. L'écoulement turbulent, en revanche, est un type de mouvement de fluide dans lequel le fluide se mélange largement entre différentes couches.
Le nombre de Reynolds ( Re ) est un nombre sans dimension qu’indique si l'écoulement suit un schéma laminaire ou turbulent.
De nombreux principes et équations ont été développés pour l'étude de la dynamique des fluides, tels que les équations de Navier-Stokes, le principe de Bernoulli, l'équation de continuité et l'équation de conservation de la quantité de mouvement.
Que dit le théorème de Bernoulli ?
Le principe de Bernoulli est un principe de mécanique qui fait la relation entre la variation de pression et le champ de vitesses du fluide. Le théorème stipule qu'une augmentation de la vitesse du fluide entraîne une diminution de la pression du fluide.
Le théorème de Bernoulli stipule que, dans un écoulement constant, la somme de toutes les formes d'énergie dans un fluide le long d'une ligne de courant est la même en tous les points de cette ligne de courant. Ce théorème est une conséquence de la loi de la conservation de l'énergie.
Quelles sont les propriétés mécaniques des fluides ?
Les fluides sont des substances qui n'ont pas leur forme mais s'adaptent plutôt à la forme du récipient dans lequel ils se trouvent. Ils sont constitués de molécules en mouvement constant, ce qui leur confère certaines propriétés :
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La loi fondamental de la statique établit que la pression en un point à l'intérieur d'un fluide (pression hydrostatique) est directement proportionnelle à sa masse volumique (ρ), à la profondeur dudit point et à la gravité de l'endroit où se trouve le fluide.
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Ils n'ont pas de forme propre mais s'adaptent à la forme du récipient dans lequel ils sont placés.
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Ils sont constitués de molécules en mouvement constant.
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Ils exercent une force de pression sur les surfaces avec lesquelles ils entrent en contact.
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Ils peuvent couler; par conséquent, ils peuvent se déformer et se dilater lorsqu'une force extérieure leur est appliquée.
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Les fluides liquides expérimentent une tension superficielle. La tension superficielle est la force par unité de longueur qui agit tangentiellement sur le bord d'une surface libre d'un liquide en équilibre et qui tend à contracter cette surface.
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Lorsqu'un fluide se déplace à travers un solide, il y a un frottement entre le fluide et le solide. Le frottement du fluide ralentit son mouvement du fluide.
Quels types de forces agissent sur les fluides ?
En général, les fluides sont soumis à trois types de forces :
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La gravité est une force qui agit sur tous les corps et est plus forte sur les corps plus lourds.
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La pression est une force qui s'exerce sur les parois des récipients contenant des fluides.
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La viscosité est une propriété des fluides qui les rend plus ou moins collants. Le coefficient de viscosité est la résistance d'un fluide à l'écoulement. Il est affecté par la température, la masse volumique et la pression du fluide.
Comment la pression affecte-t-elle un fluide ?
L'un des concepts les plus importants en mécanique des fluides est celui de la pression. La pression est la dérivée partielle qui mesure la force par élément de surface exercée par un fluide sur une surface. La pression agit dans toutes les directions et se transmet à travers un fluide. La pression en tout point du fluide statique est égale au poids de la colonne de fluide au-dessus.
La pression manométrique est une mesure de la pression d'un fluide par rapport à la pression atmosphérique.