II] Expériences préliminaires 1) Influence de la

II] Expériences préliminaires

1) Influence de la surface, de la masse du corps et de l’agitation du fluide sur sa viscosité et ses propriétés thixotropes

Expérience A

 On se propose de mettre des sables « spéciaux » constitués de sable, d’argile et d’eau (dans le but de s’approcher de la constitution physique des sables mouvants) dans un bécher (un volume de 90mL, pour une masse de 134,6 g : la masse volumique est alors de p=1.496 g.cm³). De plus, on met deux barreaux aimantés au fond du bécher et on pose celui-ci sur un agitateur magnétique.

a) On lâche depuis une hauteur h=2 cm une masse en fer de surface à la base  S₁=1 cm².

On est alors amenés a observer que la masse s’enfonce légèrement dans le sable puis se stoppe.

On agite alors le sable contenu dans le bécher avec une agitation magnétique. La masse s’enfonce alors de nouveau : l’agitation déstabilise l’empilement de grains, ce qui laisse un vide sous la masse que celle-ci s’empresse de combler, attirée par son poids. Elle atteint alors le fond du bécher.

b) On lâche depuis la même hauteur h une masse de surface à la base S₂=4 cm².

Celle-ci s’enfonce moins dans le sable que lors de l’expérience précédente.

De même, on agite le sable et la masse s’enfonce jusqu’à aboutir au fond du bécher.

c) On retente la même expérience avec une masse de surface à la base S₃=9 cm².

On observe la même chose qu’au test b), si ce n’est que la masse s’enfonce encore moins dans le sable.

Conclusion : On déduit de ces expériences que plus la surface du corps lâché dans le mélange est élevée, moins le corps s’enfonce ; de plus, notre mélange était très peu visqueux.

De plus, une agitation magnétique crée une déstabilisation de l’empilement des grains et relance la chute à travers du mélange, dont la vitesse est toujours proportionnelle à la surface du corps.

On a donc démontré qu’avec une énergie mécanique (celle de l’agitation magnétique, ici) on transforme le solide (qui bloque le corps) en liquide (le corps ainsi va vers le fond du récipient) : c’est un fluide thixotrope.

Expériences B, C, D

Dans cette série de test, on cherche à conclure sur l’influence de la masse du corps qu’on lâche dans le fluide supposé thixotrope.

Expérience B

On effectue ce test avec du ketchup. On suppose qu’il possède des propriétés thixotropiques. On verse 80mL de ketchup dans un bécher.

a) On lâche une masse de masse m₁=5 g. La masse s’enfonce puis s’arrête. Elle possède donc au moment de l’impact avec le fluide une énergie cinétique et une énergie de pesanteur (puisqu’on la lâche), ce qui constitue une énergie mécanique.

b) On lâche maintenant une masse de masse m₂=10 g. La masse s’enfonce alors plus dans le ketchup.

c) On relance l’expérience avec une masse m₃=20 g. On tire les mêmes conclusions qu’en a).

Conclusion : Plus la masse est importante, plus celle-ci s’enfonce dans le ketchup. On sait que la formule de l’énergie cinétique est Ec=mv²/2, donc l’énergie cinétique du corps lâché est proportionnelle à la masse m ; de même que l’énergie potentielle de pesanteur (Epp=mgz) ; et par conséquent, l’énergie mécanique produite est proportionnelle à la masse. Puisque plus la masse augmente, plus l’énergie mécanique est importante, et plus la masse s’enfonce : le ketchup est donc un fluide thixotrope.

Expériences C, D

On réalise dans les expériences C et D les mêmes tests qu’en B, avec le même protocole, mais en utilisant ces fois ci d’autres fluides : la mayonnaise et le gel (gel coiffant dans l’expérience). On tire les mêmes conclusions que celle déduite en B, à savoir que ces deux fluides sont tous les deux thixotropes.

2) Tests de viscosité et de thixotropie de certains fluides

On utilise le dispositif précédent : on étale en petites proportions le fluide à étudier sur une portion restreinte de la plaque mobile en fer et on recherche l’angle d’inclinaison a de la plaque mobile tel que le fluide se liquéfie. Dans cette expérience, on joue sur le fait que plus la viscosité du fluide est forte, plus il aura du mal à se détacher de la plaque, et donc plus il faudra un angle d’inclinaison élevé.

a) Avec du ketchup

On a alors un angle d’inclinaison de 80° pour que le ketchup commence à se liquéfier. Il commence à évoluer sur la plaque mobile très doucement : il est donc très visqueux.

b) Avec de la mayonnaise

A un angle a=90°, la mayonnaise ne tombe pas. A 180° non plus. La mayonnaise est donc vraiment très visqueuse.

c) Avec du gel

A 180°, le gel ne se liquéfie toujours pas : il est donc très visqueux.

Remarque : cette observation dépend du type de gel. Ayant essayé deux gels coiffants commerciaux, on a pu remarquer que l’autre devenait liquide dès un angle de 20° : ce gel était donc peu visqueux.