Glossaire des Termes Techniques Utilisé dans Pipeline Construction: Non Newtonian

Non Newtonian

Au-delà de l'ordinaire : explorer les fluides non newtoniens

Dans le monde de la physique, nous nous fions souvent à des relations prévisibles entre les forces et le mouvement. Cette prévisibilité s'étend au domaine des fluides, où nous supposons un lien direct entre la force appliquée à un fluide et son écoulement résultant. Cette relation est capturée par le concept de viscosité, une mesure de la résistance d'un fluide à l'écoulement. Cependant, tous les fluides ne suivent pas cette règle simple. Entrez dans le monde fascinant des **fluides non newtoniens**, une classe de matériaux qui défient les attentes conventionnelles.

**Qu'est-ce qui les rend non newtoniens ?**

Les fluides newtoniens, comme l'eau ou l'air, présentent une **relation linéaire** entre la contrainte de cisaillement appliquée et le taux de cisaillement résultant. Cela signifie que doubler la force appliquée à un fluide newtonien entraînera un doublement de son débit. Les fluides non newtoniens, en revanche, **ne suivent pas ce schéma linéaire**. Leur viscosité peut changer en fonction de la contrainte appliquée, conduisant à une gamme de comportements fascinants.

**Un spectre diversifié de comportements :**

Les fluides non newtoniens présentent une variété de réponses à la contrainte, conduisant à une gamme diversifiée de classifications :

  • **Fluides rhéofluidifiants (pseudoplastiques) :** Ces fluides deviennent moins visqueux à mesure que la contrainte de cisaillement augmente. Pensez au ketchup : il est épais et difficile à verser lorsqu'il est immobile, mais s'écoule facilement lorsqu'il est secoué. Ce comportement est courant dans les polymères et les peintures.
  • **Fluides rhéodépaissants (dilatants) :** Ces fluides deviennent plus visqueux à mesure que la contrainte de cisaillement augmente. Imaginez le sable mouvant : il est facile de marcher lentement dessus, mais devient solide et difficile à déplacer lorsqu'une force est appliquée rapidement. Ce phénomène est crucial dans certains équipements de protection, où il aide à absorber les chocs.
  • **Plastiques de Bingham :** Ces fluides présentent une contrainte d'écoulement, ce qui signifie qu'ils se comportent comme des solides jusqu'à ce qu'un certain niveau de contrainte soit appliqué, après quoi ils commencent à s'écouler comme des liquides. Le dentifrice et la mayonnaise sont de bons exemples.
  • **Fluides thixotropes :** Ces fluides présentent une viscosité dépendante du temps, devenant moins visqueux au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à une contrainte constante. C'est pourquoi le yogourt devient plus fin lorsqu'il est remué, et le miel devient plus facile à verser après avoir reposé un certain temps.

**Applications dans tous les secteurs :**

Les propriétés uniques des fluides non newtoniens ont conduit à leur utilisation généralisée dans divers secteurs :

  • **Fabrication :** Dans l'industrie de la peinture, les propriétés rhéofluidifiantes garantissent une application lisse et une couverture uniforme.
  • **Production alimentaire :** Les comportements rhéofluidifiants et thixotropes sont utilisés pour améliorer la texture et les caractéristiques d'écoulement des produits comme les sauces, le yogourt et la crème glacée.
  • **Construction :** Les plastiques de Bingham sont utilisés dans le béton pour améliorer sa maniabilité et sa résistance.
  • **Soins personnels :** Les propriétés rhéofluidifiantes sont utilisées dans les shampoings et les après-shampoings pour faciliter l'application.
  • **Applications médicales :** Les fluides non newtoniens trouvent des applications dans les systèmes d'administration de médicaments, les prothèses et les tissus artificiels.

**Au-delà du manuel scolaire :**

Le monde des fluides non newtoniens s'étend au-delà des applications pratiques. Leurs comportements intrigants offrent un aperçu fascinant de la complexité de la matière et offrent le potentiel d'innovations futures. De la compréhension de l'écoulement du magma à la conception de nouveaux types d'équipements de protection, l'étude de ces fluides continue d'ouvrir des possibilités passionnantes pour l'exploration scientifique.


Test Your Knowledge

Quiz: Beyond the Ordinary: Exploring Non-Newtonian Fluids

Instructions: Choose the best answer for each question.

1. What distinguishes Newtonian fluids from non-Newtonian fluids? a) Newtonian fluids are always transparent, while non-Newtonian fluids are opaque.

Answer

Incorrect. Transparency is unrelated to Newtonian or non-Newtonian properties.

b) Newtonian fluids have a constant viscosity regardless of applied force, while non-Newtonian fluids have a changing viscosity.

Answer

Correct! This is the key difference.

c) Newtonian fluids are always liquids, while non-Newtonian fluids can be solids or liquids.

Answer

Incorrect. Both Newtonian and non-Newtonian fluids can be liquids.

d) Newtonian fluids are always found in nature, while non-Newtonian fluids are mostly synthetic.

Answer

Incorrect. Many natural substances are non-Newtonian, like blood or quicksand.

2. Which type of non-Newtonian fluid becomes less viscous with increasing shear stress? a) Shear-thinning (pseudoplastic)

Answer

Correct! Shear-thinning fluids are like ketchup, becoming easier to pour when shaken.

b) Shear-thickening (dilatant)

Answer

Incorrect. Shear-thickening fluids become *more* viscous under stress.

c) Bingham plastics

Answer

Incorrect. Bingham plastics behave like solids until a certain stress threshold.

d) Thixotropic fluids

Answer

Incorrect. Thixotropic fluids change viscosity over time, not directly with stress.

3. Which of these examples best demonstrates the behavior of a shear-thickening fluid? a) Honey becoming easier to pour after standing for a while.

Answer

Incorrect. This describes a thixotropic fluid.

b) Toothpaste flowing easily when squeezed, but becoming more solid when pressure is released.

Answer

Incorrect. This describes a Bingham plastic.

c) Ketchup flowing easily when shaken, but becoming thick when still.

Answer

Incorrect. This describes a shear-thinning fluid.

d) Quicksand becoming solid when a person tries to move quickly through it.

Answer

Correct! This is a classic example of shear-thickening behavior.

4. Which industry does NOT benefit from the unique properties of non-Newtonian fluids? a) Manufacturing

Answer

Incorrect. Paints and other materials use non-Newtonian properties.

b) Food production

Answer

Incorrect. Sauces, yogurt, and ice cream rely on non-Newtonian properties.

c) Education

Answer

Correct! While non-Newtonian fluids are studied in education, they are not directly used in the industry itself.

d) Personal care

Answer

Incorrect. Shampoos and conditioners often use shear-thinning fluids.

5. Why is the study of non-Newtonian fluids important? a) It helps us understand the flow of liquids like water and air.

Answer

Incorrect. Newtonian fluids, not non-Newtonian, govern the flow of water and air.

b) It opens up opportunities for new innovations and technological advancements.

Answer

Correct! Understanding non-Newtonian fluids allows for new materials and applications.

c) It helps us predict the weather more accurately.

Answer

Incorrect. Weather prediction primarily uses atmospheric models, not non-Newtonian fluid dynamics.

d) It allows us to understand the movements of stars and planets.

Answer

Incorrect. Astronomy uses different principles to understand celestial bodies.

Exercise:

Imagine you are a scientist tasked with developing a new type of protective gear for athletes. You need to select a non-Newtonian fluid that can effectively absorb shock and protect the athlete from injury. Which type of non-Newtonian fluid would be the best choice and why?

Exercice Correction

The best choice would be a **shear-thickening (dilatant) fluid**. Here's why:

  • **Shock Absorption:** Shear-thickening fluids become more viscous under sudden, forceful impact. This increase in viscosity allows them to dissipate energy effectively, cushioning the athlete from the force of the impact.
  • **Flexibility:** When not under stress, the fluid remains relatively thin, allowing for flexibility and ease of movement for the athlete.
  • **Protection:** The sudden thickening under impact provides a protective barrier, similar to a shock absorber, without restricting movement during normal activity.

Examples of materials that exhibit this behavior include cornstarch and water mixtures, which form a "silly putty"-like substance when force is applied.


Books

  • "Rheology: Principles and Applications" by R. Byron Bird, Robert C. Armstrong, and Ole Hassager: This comprehensive text covers the fundamental principles of rheology, with dedicated chapters on non-Newtonian fluids and their behavior.
  • "Non-Newtonian Fluid Mechanics" by J.M. Piau: This book provides a deeper dive into the mathematical and theoretical aspects of non-Newtonian fluid mechanics, ideal for advanced study.
  • "Introduction to Rheology" by John Mewis and Norman J. Wagner: This accessible book offers a balanced overview of rheological principles and their applications, including a detailed discussion of non-Newtonian fluids.

Articles

  • "Non-Newtonian Fluids: A Review" by D.D. Joseph: A foundational article providing a comprehensive overview of different types of non-Newtonian fluids and their properties.
  • "The Rheology of Complex Fluids" by R.G. Larson: This article discusses the rheological behavior of various complex fluids, including non-Newtonian fluids.
  • "Non-Newtonian Fluids and Their Applications" by A.B. Metzner: A practical review of the applications of non-Newtonian fluids in various industries.

Online Resources

  • "Non-Newtonian Fluids" - Wikipedia: A comprehensive and well-organized overview of non-Newtonian fluids, their types, and applications.
  • "The Rheology of Non-Newtonian Fluids" - MIT OpenCourseware: A free online course from MIT covering the basics of rheology and its application to non-Newtonian fluids.
  • "Non-Newtonian Fluid Mechanics" - Khan Academy: This online resource provides a simplified introduction to non-Newtonian fluids and their properties.

Search Tips

  • Use specific keywords: "Non-Newtonian fluids types", "applications of non-Newtonian fluids", "examples of non-Newtonian fluids".
  • Combine keywords: "shear-thinning fluids examples", "thixotropic fluid applications", "Bingham plastic properties".
  • Use quotation marks: "Non-Newtonian fluids" to find exact matches and avoid irrelevant results.
  • Explore academic databases: Use Google Scholar for academic research articles and publications on the subject.
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