En physique, l’écoulement de fluide a toutes sortes d’aspects — stable ou instable, compressible ou incompressible, visqueux ou non visqueux, et rotationnel ou irrotationnel, pour n’en nommer que quelques-uns. Certaines de ces caractéristiques reflètent les propriétés du liquide lui-même, et d’autres se concentrent sur la façon dont le fluide se déplace.
Notez que l’écoulement du fluide peut devenir très complexe lorsqu’il devient turbulent. Les physiciens n’ont pas développé d’équations élégantes pour décrire la turbulence, car le fonctionnement de la turbulence dépend du système individuel — que l’eau tombe en cascade dans un tuyau ou que l’air jaillisse d’un moteur à réaction. Habituellement, vous devez recourir à des ordinateurs pour gérer les problèmes impliquant une turbulence des fluides.
Régularité du fluide: Débit stable ou instable
L’écoulement du fluide peut être stable ou instable, selon la vitesse du fluide:
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Stable. Dans un écoulement de fluide régulier, la vitesse du fluide est constante en tout point.
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Instable. Lorsque l’écoulement est instable, la vitesse du fluide peut différer entre deux points quelconques.
Par exemple, supposons que vous soyez assis au bord d’un ruisseau et que vous remarquiez que le débit d’eau n’est pas stable: vous voyez des tourbillons, des lavages à contre-courant et toutes sortes de tourbillons. Imaginez des vecteurs de vitesse pour cent points dans l’eau, et vous obtenez une bonne image de l’écoulement instable — les vecteurs de vitesse peuvent pointer sur toute la carte, bien que les vecteurs de vitesse suivent généralement le débit moyen global du cours d’eau.
Compressibilité du fluide: Débit compressible ou incompressible
Le débit de fluide peut être compressible ou incompressible, selon que vous pouvez facilement compresser le fluide. Les liquides sont généralement presque impossibles à comprimer, tandis que les gaz (également considérés comme un fluide) sont très compressibles.
Un système hydraulique ne fonctionne que parce que les liquides sont incompressibles — c’est-à-dire que lorsque vous augmentez la pression à un endroit du système hydraulique, la pression augmente pour correspondre partout dans l’ensemble du système. Les gaz, en revanche, sont très compressibles — même lorsque votre pneu de vélo est étiré à sa limite, vous pouvez toujours y pomper plus d’air en appuyant sur le piston et en le pressant.
Épaisseur du fluide: Écoulement visqueux ou non visqueux
L’écoulement du liquide peut être visqueux ou non visqueux. La viscosité est une mesure de l’épaisseur d’un fluide, et les fluides très collants tels que l’huile à moteur ou le shampooing sont appelés fluides visqueux.
La viscosité est en fait une mesure du frottement dans le fluide. Lorsqu’un fluide s’écoule, les couches de fluide frottent les unes contre les autres, et dans les fluides très visqueux, le frottement est si important que les couches d’écoulement se tirent les unes contre les autres et entravent cet écoulement.
La viscosité varie généralement avec la température, car lorsque les molécules d’un fluide se déplacent plus rapidement (lorsque le fluide est plus chaud), les molécules peuvent plus facilement glisser les unes sur les autres. Ainsi, lorsque vous versez du sirop de crêpes, par exemple, vous remarquerez peut-être qu’il est très épais dans la bouteille, mais le sirop devient assez liquide lorsqu’il se répand sur les crêpes chaudes et se réchauffe.
Filage fluide: Écoulement rotationnel ou irrotationnel
L’écoulement du fluide peut être rotationnel ou irrotationnel. Si, lorsque vous voyagez en boucle fermée, vous additionnez toutes les composantes des vecteurs de vitesse du fluide le long de votre trajet et que le résultat final n’est pas nul, alors le flux est rotatif.
Pour tester si un flux a une composante de rotation, vous pouvez placer un petit objet dans le flux et le laisser porter. Si le petit objet tourne, le flux est rotatif; si l’objet ne tourne pas, le flux est irrotationnel.
Par exemple, regardez l’eau qui coule dans un ruisseau. Il tourbillonne autour des pierres, s’enroule autour des obstacles. À de tels endroits, le débit d’eau a une composante rotative.
Certains flux que vous pensez être rotationnels sont en fait irrotationnels. Par exemple, loin du centre, un vortex est en fait un flux irrotationnel! Vous pouvez le voir si vous regardez l’eau qui s’écoule de votre baignoire. Si vous placez un petit objet flottant dans le flux, il fait le tour du trou du bouchon, mais il ne tourne pas sur lui-même; par conséquent, le flux est irrotationnel.
D’autre part, les flux qui n’ont pas de rotation apparente peuvent en fait être rotationnels. Prenons un écoulement de cisaillement, par exemple. Dans un écoulement de cisaillement, tout le fluide se déplace dans la même direction, mais le fluide se déplace plus rapidement d’un côté. Supposons que le fluide se déplace plus rapidement à gauche qu’à droite. Le fluide ne bouge pas du tout en cercle, mais si vous placez un petit objet flottant dans ce flux, le flux sur le côté gauche de l’objet est légèrement plus rapide, de sorte que l’objet commence à tourner. Le flux est rotatif.