La Maïzena fait des vagues


Succesion d’ondulations à la surface d’un mélange d’eau et de fécule de maïs s’écoulant sur un plan incliné.

L’une des expériences de physique les plus spectaculaires et les plus faciles à réaliser à la maison consiste à mélanger quelques cuillers de fécule de maïs dans de l’eau et à plonger son poing à l’intérieur. Si le geste est lent, la main s’enfonce comme dans un liquide. S’il est rapide, le poing sent un choc et une résistance, comme si le liquide s’était solidifié (plusieurs essais sont nécessaires pour trouver le bon mélange).

L’explication complète du phénomène n’a été donnée qu’en 2014. Et dans Nature Communications Physics du 18 décembre 2020, une équipe de l’Institut universitaire des systèmes thermiques et industriels (CNRS/Université d’Aix-Marseille) vient de comprendre un autre effet étonnant de ce matériau. En le versant sur un plan incliné, les chercheurs ont observé qu’au lieu d’une surface lisse, ils voient apparaître une série d’ondulations ridant sa blancheur immaculée.

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En fait, avant eux, une équipe du MIT, en 2005, avait aussi été stupéfaite du phénomène d’autant que, comme elle l’écrivait sobrement, « ceci est difficile à réconcilier avec les théories qui prévoient un écoulement stable ».

Viscosité changeante

L’étonnement est en fait plus subtil. Il n’est pas rare de voir des films de liquide calme se couvrir de vaguelettes. Par fort orage, le ruissellement de la pluie sur la chaussée ou sur un pare-brise s’accompagne parfois de ces vagues (tout dépend de la vitesse). L’effet est analogue aux embouteillages. A cause de l’inertie du fluide, qui a tendance à conserver sa vitesse et qui répond avec retard à une contrainte, un coup de frein à l’avant de l’écoulement crée une accumulation de matière, qui se répercute en accordéon vers l’arrière.

Mais pour la fécule de maïs, l’inertie est battue par les forces de viscosité, qui créent du frottement, au point qu’aucun « accordéon » ne devrait apparaître. En revanche, elle est rhéoépaississante, c’est-à-dire que sa viscosité change en fonction de la contrainte exercée, comme l’illustre l’expérience du poing plongeant. Si on « tape » légèrement sur le mélange, les grains de quelques micromètres à l’intérieur restent éloignés les uns des autres, se repoussant par diverses forces microscopiques. Si l’on tape plus fort, ils se rapprochent et frottent les uns contre les autres, augmentant la viscosité et donc réduisant la vitesse du fluide. Ainsi, dans le cas maintenant de l’écoulement, si, à cause d’une infime perturbation, le film fluide devient légèrement moins épais, la viscosité augmente, la vitesse diminue, entraînant une accumulation de matière en amont, qui créée une bosse, qui enfle, etc. La surface se ride.

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