Vous versez du miel. Ça colle. Épais. Lent. L’eau frappe l’évier avec un clapotis. Rapide. Chaotique.
La différence ne réside pas seulement dans la texture. C’est de la physique. Plus précisément, c’est la viscosité.
La plupart des gens considèrent la viscosité comme une « épaisseur ». C’est proche, mais cela passe à côté de l’essentiel. La viscosité est la résistance que les liquides et les gaz présentent à l’écoulement et à la déformation. C’est la mesure de la résistance d’un fluide lorsque vous essayez de le déplacer.
Comment fonctionne la viscosité au niveau moléculaire
Cela se résume à des frictions internes.
Imaginez les particules à l’intérieur d’un fluide. Ils ne flottent pas librement. Ils interagissent. Tirer. Pousser. La force des liaisons entre les atomes et les molécules détermine la facilité avec laquelle ces couches de fluide peuvent glisser les unes sur les autres.
Si ces liaisons sont faibles, les molécules s’éloignent les unes des autres sans effort. Le fluide coule. Si les liaisons sont fortes, les molécules s’accrochent les unes aux autres. Ils résistent à la séparation. Ils résistent à la déformation.
Plus les forces d’attraction intermoléculaires sont élevées, plus la viscosité est élevée.
C’est un compromis direct. Une attraction plus forte signifie plus de résistance. Plus de résistance signifie un fluide plus visqueux.
Pourquoi c’est important pour les gaz et les liquides
On en parle généralement avec des liquides. Huile. Sirop. Lait. Mais les gaz ont aussi une viscosité. L’air a une viscosité. C’est simplement beaucoup plus faible parce que les molécules sont plus éloignées les unes des autres et interagissent moins fréquemment.
La viscosité est l’une des principales caractéristiques des fluides. Vous ne pouvez pas définir un fluide sans définir comment il résiste à l’écoulement.
Pensez-y de cette façon :
- Faible viscosité : Le fluide s’écoule facilement. Peu de frictions internes. Pensez à l’eau ou à l’alcool.
- Haute viscosité : Le fluide résiste à l’écoulement. Frottement interne élevé. Pensez à la mélasse ou à l’huile moteur lourde.
La résistance dépend entièrement de la force avec laquelle les molécules ou les particules tentent de rester ensemble lorsque vous les séparez.
Ainsi, lorsque vous voyez un fluide se déplacer, vous assistez en réalité à une bataille. Vous regardez la force externe essayer de surmonter l’attraction moléculaire interne. Celui qui gagne détermine la vitesse.
Comment mesurer réellement la viscosité sans deviner
Vous ne pouvez pas simplement le regarder. Pas vraiment. Vous avez besoin d’outils. Plus précisément, un viscosimètre ou un rhéomètre. Ces appareils ne surveillent pas seulement le fluide ; ils mesurent la résistance. Le résultat ? Un nombre représenté par la lettre grecque μ (mu). C’est le symbole de la viscosité dynamique.
Mais comment le calculer ? Vous retournez à Newton. Sa loi de viscosité vous donne la formule :
𝞽 = μ(u/y)
Cela a l’air simple. Ce n’est pas le cas. Voici ce que signifient réellement les variables dans le monde réel :
- 𝞽 est la contrainte de cisaillement. Considérez-le comme la pression tangentielle poussant sur la surface.
- μ est la viscosité dynamique elle-même.
- u est la vitesse du fluide.
- y est la distance ou la déformation entre les couches de fluide.
Dans le système SI, l’unité est le pascal-seconde (Pa·s). Mais les ingénieurs et les scientifiques parlent souvent d’autres langues. La poise (P) provient du système CGS et est égale à 0,1 Pa·s. Vous verrez probablement la centipoise (cP) plus souvent : elle est de 0,01 poise, ou 10 Pa·s. Ensuite, il y a les grammes par centimètre-seconde (g/cm·s), qui sont juste une autre façon de dire 1 poise. Les newtons par seconde par mètre carré (N·s/m²) et les kilogrammes par mètre-seconde (kg/m·s) sont tous deux égaux à 1 Pa·s. C’est un fouillis d’unités, mais elles correspondent toutes à la même réalité physique.
Pourquoi le yaourt se comporte différemment de l’eau
La viscosité n’est pas une caractéristique fixe. Cela dépend du fluide. Et la température.
Prenez de l’eau. Chauffez-le et il coule plus vite. La viscosité chute. La plupart des liquides font cela. Mais les gaz ? Ils font le contraire. Chauffez un gaz et sa viscosité augmente. Pourquoi? Parce que les particules entrent en collision plus fréquemment à des températures plus élevées, créant ainsi davantage de frictions internes. C’est contre-intuitif si vous avez l’habitude de penser uniquement aux liquides.
Ensuite, il y a le type de fluide. Avez-vous affaire à un fluide newtonien ou à un non-newtonien ?
L’eau et la plupart des gaz sont newtoniens. Remuez-les fort ou lentement et leur viscosité reste la même. La résistance interne est constante quelle que soit la force que vous appliquez.
Le yaourt, la peinture et la gélatine ne le sont pas. Ce sont des fluides non newtoniens. Leur viscosité change lorsque vous appliquez une force. Le yaourt est épais et toujours sur une cuillère. Remuez-le et il coule soudainement. Arrêtez de remuer et ça épaissit à nouveau. Ce comportement crée un gradient de vitesse à travers les couches de fluide. Différentes parties du liquide se déplacent à des vitesses différentes car le frottement interne varie.
Les forces moléculaires comptent ici. Une forte attraction intermoléculaire signifie une viscosité plus élevée. Une faible attraction signifie que le fluide s’échappe facilement. Un fluide de viscosité nulle est une construction théorique appelée fluide idéal ou superfluide. Cela n’existe pas dans votre cuisine, mais cela compte en physique.
Viscosité dynamique ou cinématique : quelle est la différence ?
Vous devez savoir de lequel vous parlez.
La viscosité dynamique (ou viscosité absolue) est la résistance interne entre les molécules. C’est ce qui maintient le fluide ensemble au lieu de se disperser. Nous avons déjà abordé son symbole, μ, et son unité, le pascal-seconde.
La viscosité cinématique est différente. Il relie la viscosité dynamique à la densité. Le symbole est ν (nu). La formule est :
ν = μ / ρ
Où ρ est la densité du fluide.
Parce qu’il s’agit de densité, les unités changent. Dans le système CGS, l’unité est le stoke (St), qui équivaut à des centimètres carrés par seconde (cm²/s). Vous verrez souvent le centistoke (cSt), qui correspond à 0,01 stokes. En SI, il s’agit de mètres carrés par seconde, bien que ce soit un nombre important pour la plupart des fluides courants.
Pourquoi les distinguer ? Parce que la viscosité dynamique vous renseigne sur la force nécessaire pour déplacer le fluide. La viscosité cinématique vous indique comment le fluide s’écoule sous l’effet de la gravité. L’une concerne l’effort ; l’autre concerne le débit.
La viscosité des substances du quotidien
L’eau à 20°C a une viscosité de 1 centipoise. C’est faible. Il se verse facilement. C’est l’un des liquides courants les moins visqueux.
Comparez cela au pétrole. Qu’il s’agisse d’huile de cuisson issue de graines ou de mazout issu de pétrole raffiné, l’huile est visqueuse. Le fioul est particulièrement épais. Il résiste à l’écoulement, c’est pourquoi les moteurs ont besoin de pompes et de pression pour le déplacer.
Le gel capillaire et le shampoing sont également très visqueux. Leurs molécules résistent au mouvement. Secouez la bouteille et ils s’éclaircissent. Laissez-les reposer, et ils pourraient même paraître solides. En pratique, ils ne sont pas newtoniens et changent de texture en fonction de l’agitation.
La Glycérine est un autre exemple. Présent dans les graisses animales et végétales, il est utilisé dans les savons et les cosmétiques en raison de sa nature épaisse et collante. Cela ne coule pas comme l’eau.
Le mercure est un métal liquide. Il est dense et possède son propre profil de viscosité spécifique, utilisé dans les procédés industriels et historiquement dans les dispositifs médicaux. Il se comporte différemment des liquides organiques en raison de sa liaison métallique.
Les sirops sont visqueux en raison de leur teneur en sucre. La forte concentration de solides dissous crée une traînée entre les molécules. Ils coulent lentement, délibérément.
Comprendre la viscosité ne consiste pas seulement à connaître l’épaisseur d’un produit. Il s’agit de prédire comment il se comportera lorsque vous le pousserez, le chaufferez ou le laisserez reposer.
