La rhéologie explore la déformation et l'écoulement des matières sous l'effet des contraintes appliquées, et les fluides non-newtoniens présentent des comportements surprenants par rapport aux liquides classiques. En particulier, le mélange eau et amidon de maïs illustre à merveille ces propriétés: il peut agir comme un liquide visqueux au repos mais se comporter comme un solide sous une contrainte soudaine.
Les fondements des fluides newtoniens et non-newtoniens
Si les fluides newtoniciens présentent une viscosité constante, les fluides non-newtoniens voient leur viscosité varier en fonction de leur vitesse d'écoulement et des contraintes qu'ils subissent. En règle générale, les substances pures sont généralement des fluides newtoniens, tandis que les mélanges de substances ou les solutions épaisses affichent souvent un comportement non-newtonien.
Le beurre, le ketchup, la mayonnaise et le yaourt constituent des exemples courants de fluides non-newtoniens. On distingue notamment les fluides de Bingham (viscosité constante jusqu'à une contrainte d'écoulement), les fluides pseudo-plastiques (leur viscosité diminue avec la contrainte) et les fluides dilatants (leur viscosité augmente sous contrainte). Les fluides thixotropes montrent une diminution de la viscosité avec le temps lorsque la contrainte est appliquée, puis se reforment lentement à leur état initial après la fin de l'effort.
Maïzena et l’amidon de maïs: une pâte rhéoépaississante
Le mélange de farine de maïs et d'eau produit une pâte aux propriétés étonnantes: elle coule lentement si on la remue doucement mais se comporte comme un solide lorsqu’on la malaxe rapidement. On dit que cette pâte est rhéoépaissisante car elle s'épaissit sous l'effet d'une contrainte.
Lorsque l’on observe ce mélange à l’échelle microscopique, on peut distinguer des granules de diamètre compris entre 5 et 25 μm; la concentration en granules est élevée et, au repos ou sous agitation légère, l’eau peut s’écouler entre elles. Cependant, sous contrainte, les granules s’accrochent pour former des agrégats, et les vibrations élevées épaississent le mélange eau - maïzena, révélant une instabilité de surface lorsque l’on perturbe la pâte par vibrations verticales.
Comprendre l’écoulement et le comportement sous contrainte
La surface élastique de la pâte et la viscosité qui freine les écoulements expliquent l’apparition et la disparition des bourrelets de surface, selon l’amplitude et la fréquence des vibrations. Il existe un seuil d’intensité des vibrations au-delà duquel cette viscosité ne suffit plus à restaurer la surface lisse. Des tests de flux et de frottement sont utilisés pour caractériser ces propriétés, montrant que l’amidon de maïs peut s’écouler plus facilement sous des contraintes de consolidation élevées.
La même famille de phénomènes est observable dans des expériences simples avec des substances courantes: verser lentement la pâte permet de l’écouler comme un liquide, alors que la même pâte, agitée vigoureusement, résiste et peut se figer temporairement. Cette dualité illustre bien la différence entre fluides newtoniens et non-newtoniens et pourquoi Maïzena demeure un exemple pédagogique prisé en rhéologie.
Applications et variantes d’observation
La notion de fluide non-newtonien peut être vérifiée en pratique par des expériences accessibles: remuer une peinture ou une sauce, observer comment la viscosité évolue avec la vitesse de touillage, et tester des comportements comme le « marcher sur le mélange » quand on se déplace rapidement sur une surface recouverte de pâte fluide non-newtonienne.
Des images et descriptions montrent que, sous contrainte, les granules de maïs s’attachent et forment des réseaux qui épaississent le mélange. Une pâte qui se comporte comme un liquide à faible contrainte peut devenir presque solide à haute contrainte, ce qui explique des phénomènes apparemment paradoxaux tels que marcher sur une plaque de mélange sans s’enfoncer ou faire passer une cuillère sans l’y enfoncer entièrement.
Variantes et mesures expérimentales
Des tests instrumentés, comme ceux utilisant un Brookfield avec le logiciel Powder Flow Pro, permettent de mesurer la fluidité et d’observer l’évolution de la densité apparente et de l’angle de frottement des parois à différents niveaux de contrainte. Les données montrent qu’à des niveaux de consolidation supérieurs à 6 kPa, l’amidon de maïs s’écoule plus facilement, tandis que les transitions entre états de fluide peuvent être observées par des variations de densité apparente et de comportement d’écoulement.
En cuisine ou dans des démonstrations pédagogiques, la viscosité peut être quantifiée en touillant le liquide et en constatant la résistance opposée; lorsque l’on remue plus vigoureusement, le comportement non-newtonien devient évident et ludique avec le mélange maïs-eau, qui peut à la fois couler et solidifier en fonction de l’effort appliqué.
Idées expérimentales et curiosités
Pour des expériences amusantes et informatives, on peut verser ce « liquide » sur un haut-parleur et appliquer des fréquences basses, ou tester l’effet du choc sur la surface du mélange: la pâte peut se solidifier instantanément sous le choc, empêchant la formation de gouttes. Ces phénomènes illustrent pourquoi les fluides non-newtoniens peuvent être à la fois distractifs et utiles dans des applications pratiques et artistiques, tout en restant un excellent outil pédagogique pour comprendre les notions de viscosité et de contrainte.
