Sciences · Physique
La viscosité
La viscosité est la résistance d’un fluide à l’écoulement : le miel est très visqueux, l’eau peu. Elle traduit les frottements internes entre couches de fluide qui glissent les unes sur les autres.
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Versez de l’eau, puis du miel : le premier coule instantanément, le second lentement, en filet épais. La grandeur qui distingue ces deux liquides n’est pas leur densité, très proche, mais leur viscosité. Elle détermine la vitesse d’écoulement dans les tuyaux, le choix d’une huile moteur, la façon dont coule la lave et même la circulation du sang.
Le frottement interne
Imaginons un fluide entre deux plaques, l’une fixe, l’autre que l’on fait glisser. La couche de fluide au contact de la plaque mobile est entraînée ; celle au contact de la plaque fixe reste immobile ; les couches intermédiaires glissent les unes sur les autres. Pour maintenir le mouvement, il faut exercer une force qui compense le frottement entre couches : plus le fluide est visqueux, plus cette force est grande.
Pour un fluide newtonien, la contrainte de cisaillement est proportionnelle au gradient de vitesse, et le coefficient de proportionnalité est la viscosité dynamique. Newton a proposé cette relation dans ses Principia (1687).
Unités et valeurs
| Unité | Équivalence |
|---|---|
| Pascal-seconde (Pa·s), unité SI | — |
| Poise (P), unité ancienne CGS | 0,1 Pa·s |
| Centipoise (cP) | 1 mPa·s |
| Stokes (St), viscosité cinématique | 10⁻⁴ m²/s |
L’eau à 20 °C a une viscosité d’environ 1 mPa·s, soit 1 centipoise, ce qui en fait une référence pratique.
| Fluide (vers 20 °C sauf mention) | Viscosité dynamique approximative |
|---|---|
| Air | 0,018 mPa·s |
| Éther | 0,23 mPa·s |
| Eau | 1,0 mPa·s |
| Sang (37 °C) | 3 à 4 mPa·s |
| Huile d’olive | environ 80 mPa·s |
| Huile moteur | 100 à 500 mPa·s selon le grade |
| Glycérol | environ 1 400 mPa·s |
| Miel | 2 000 à 10 000 mPa·s |
| Ketchup | 50 000 à 100 000 mPa·s (au repos) |
| Lave basaltique | 10 à 1 000 Pa·s |
| Brai (bitume) | de l’ordre de 10⁸ Pa·s |
Viscosité et densité : ne pas confondre
L’huile est plus visqueuse que l’eau, mais moins dense : elle flotte dessus tout en coulant plus lentement. La viscosité concerne l’écoulement, la masse volumique la quantité de matière par volume.
L’effet de la température
- Pour les liquides, la viscosité diminue fortement quand la température augmente : le miel chauffé devient fluide, la lave refroidie se fige. L’agitation thermique facilite le glissement des molécules.
- Pour les gaz, elle augmente avec la température, car les molécules, plus rapides, échangent davantage de quantité de mouvement entre couches.
C’est pourquoi les huiles moteur portent une double indication, par exemple 5W-30 : le premier nombre, suivi de W (winter), caractérise le comportement à froid, le second la viscosité à chaud, à la température de fonctionnement du moteur. Un chiffre bas avant le W signifie une huile qui reste fluide à basse température et protège dès le démarrage.
Écoulement laminaire et turbulent
Dans un tuyau, un fluide peu rapide s’écoule en couches parallèles, de façon régulière : c’est l’écoulement laminaire. Au-delà d’une certaine vitesse, il devient désordonné, avec des tourbillons : c’est l’écoulement turbulent. Le passage de l’un à l’autre est caractérisé par le nombre de Reynolds, qui compare les effets de l’inertie à ceux de la viscosité. Dans un tuyau, l’écoulement est généralement laminaire en dessous d’environ 2 000 et turbulent au-delà de quelques milliers. Voir mécanique des fluides.
Pour un écoulement laminaire dans un tuyau, le débit est proportionnel à la puissance quatre du rayon (loi de Poiseuille) : réduire le diamètre d’un vaisseau sanguin de moitié divise le débit par seize à pression égale. Cela explique les effets importants d’un rétrécissement artériel.
Le frottement des fluides sur les objets
La viscosité est à l’origine d’une partie de la traînée qui freine les objets en mouvement dans un fluide (voir frottements). Pour une petite sphère lente, la force de frottement est donnée par la loi de Stokes, proportionnelle à la viscosité, au rayon et à la vitesse. Elle explique la chute lente des gouttelettes de brouillard et la sédimentation des particules fines.
Les fluides non newtoniens
Pour de nombreux fluides, la viscosité change selon la manière dont on les sollicite.
| Type | Comportement | Exemples |
|---|---|---|
| Rhéofluidifiant | devient plus fluide quand on l’agite ou le cisaille | ketchup, peinture, sang, shampoing |
| Rhéoépaississant | devient plus visqueux, voire solide, sous une sollicitation rapide | mélange de fécule de maïs et d’eau |
| Fluide à seuil | ne coule qu’au-delà d’une contrainte minimale | dentifrice, mayonnaise |
| Thixotrope | se fluidifie avec le temps sous agitation, puis reprend sa consistance | certaines peintures, yaourt brassé |
Le mélange de fécule de maïs et d’eau permet de courir à sa surface, alors qu’on s’y enfonce si l’on s’arrête. La peinture, rhéofluidifiante, s’étale facilement sous le pinceau mais ne coule pas sur le mur.
Questions fréquentes
Quelle est l’unité de la viscosité ?
Le pascal-seconde (Pa·s) pour la viscosité dynamique. On utilise souvent le millipascal-seconde, égal au centipoise : l’eau vaut environ 1 mPa·s.
Le miel est-il plus dense que l’eau ?
Oui, un peu (environ 1,4 kg/L), mais surtout il est des milliers de fois plus visqueux. Densité et viscosité sont deux propriétés indépendantes.
Pourquoi le verre n’est-il pas un liquide qui coule ?
À température ambiante, sa viscosité est si immense que tout écoulement serait invisible à l’échelle de millions d’années. L’épaisseur inégale des vitraux anciens vient de leur fabrication, pas d’un écoulement.
Que signifie 5W-30 sur une huile moteur ?
Le 5W indique la fluidité à froid (plus le chiffre est bas, plus l’huile reste fluide en hiver) et le 30 la viscosité à la température de fonctionnement du moteur.