14 : Mécanique des fluides

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Imaginez-vous en train de marcher le long d'une plage de la côte est des États-Unis. L'air sent le sel marin et le soleil réchauffe le corps. Soudain, une alerte apparaît sur votre téléphone portable. Une dépression tropicale s'est transformée en ouragan. La pression atmosphérique est tombée à près de 15 % en dessous de la moyenne. Par conséquent, les prévisionnistes s'attendent à des pluies torrentielles, à des vents de plus de 100 mi/h et à des millions de dollars de dégâts. Alors que vous vous préparez à évacuer, vous vous demandez : comment une si petite baisse de pression peut-elle provoquer un changement climatique aussi important ?

La pression est un phénomène physique qui ne se limite pas aux seules conditions météorologiques. Les variations de pression font « éclater » les oreilles lors du décollage d'un avion. Les variations de pression peuvent également provoquer chez les plongeurs un trouble parfois mortel connu sous le nom de « virages », qui se produit lorsque l'azote dissous dans l'eau du corps à des profondeurs extrêmes revient à l'état gazeux dans le corps lorsque le plongeur fait surface. La pression est au cœur du phénomène appelé flottabilité, qui provoque la montée des montgolfières et la flottabilité des navires. Avant de bien comprendre le rôle que joue la pression dans ces phénomènes, nous devons discuter des états de la matière et du concept de densité.

14.1 : Prélude à la mécanique des fluides
Imaginez-vous en train de marcher le long d'une plage de la côte est des États-Unis. L'air sent le sel marin et le soleil réchauffe le corps. Soudain, une alerte apparaît sur votre téléphone portable. Une dépression tropicale s'est transformée en ouragan. La pression atmosphérique est tombée à près de 15 % en dessous de la moyenne. Par conséquent, les prévisionnistes s'attendent à des pluies torrentielles, à des vents de plus de 100 mi/h et à des millions de dollars de dégâts.
14.2 : Fluides, densité et pression (partie 1)
Un fluide est un état de matière qui cède aux forces latérales ou de cisaillement. Les liquides et les gaz sont tous deux des fluides. La statique des fluides est la physique des fluides stationnaires. La densité est la masse par unité de volume d'une substance ou d'un objet tandis que la pression est la force par unité de surface perpendiculaire sur laquelle la force est appliquée. La pression due au poids d'un liquide de densité constante est donnée par le produit de la profondeur, de la densité et de l'accélération du liquide due à la gravité.
14.3 : Fluides, densité et pression (partie 2)
La pression est définie pour tous les états de la matière, mais elle est particulièrement importante lorsqu'il s'agit de fluides. Une caractéristique importante des fluides est l'absence de résistance significative à la composante d'une force appliquée parallèlement à la surface d'un fluide. Les molécules du fluide s'écoulent simplement pour s'adapter à la force horizontale. Une force appliquée perpendiculairement à la surface comprime ou dilate le fluide.
14.4 : Mesure de la pression
La pression manométrique est la pression relative à la pression atmosphérique. La pression absolue est la somme de la pression manométrique et de la pression atmosphérique. Les manomètres à tube ouvert ont des tubes en forme de U et une extrémité est toujours ouverte. Ils sont utilisés pour mesurer la pression. Un baromètre à mercure est un appareil qui mesure la pression atmosphérique. L'unité de pression SI est le pascal (Pa), mais plusieurs autres unités sont couramment utilisées.
14.5 : Principe de Pascal et hydraulique
La pression est la force par unité de surface. Un changement de pression appliqué à un fluide enfermé est transmis sans diminution à toutes les parties du fluide et aux parois de son contenant. Un système hydraulique est un système de fluide fermé utilisé pour exercer des forces.
14.6 : Principe et flottabilité d'Archimède
La force de flottabilité est la force ascendante nette exercée sur tout objet dans n'importe quel fluide. La force flottante est toujours présente et agit sur tout objet immergé partiellement ou totalement dans un fluide. Le principe d'Archimède indique que la force de flottaison exercée sur un objet est égale au poids du fluide qu'il déplace.
14.7 : Dynamique des fluides
Le débit Q est défini comme le volume V s'écoulant au-delà d'un point dans le temps t. L'unité de débit SI est (m^3) /s, mais d'autres débits peuvent être utilisés, tels que L/min. Le débit et la vitesse sont liés par le produit de la section transversale du flux par sa vitesse moyenne. L'équation de continuité indique que pour un fluide incompressible, la masse s'écoulant dans un tuyau doit être égale à la masse sortant du tuyau.
14.8 : Équation de Bernoulli
L'équation de Bernoulli indique que la pression est la même en deux points quelconques dans un fluide incompressible sans friction. Le principe de Bernoulli est l'équation de Bernoulli appliquée aux situations dans lesquelles la hauteur du fluide est constante. Le principe de Bernoulli a de nombreuses applications, notamment l'entraînement et la mesure de la vitesse.
14.9 : Viscosité et turbulence
Dans cette sous-section, nous présentons les forces de friction qui agissent sur les fluides en mouvement. Par exemple, un fluide s'écoulant dans un tuyau est soumis à une résistance, un type de frottement, entre le fluide et les parois. Des frottements se produisent également entre les différentes couches de fluide. Ces forces de résistance influent sur la façon dont le fluide s'écoule dans le tuyau.
14.E : Mécanique des fluides (exercices)
14.S : Mécanique des fluides (Résumé)

Vignette : Visualisation en soufflerie de brouillard (particule d'eau) d'un profil aérodynamique NACA 4412 à faible vitesse (Re = 20 000) (CC SA-BY 3.0 ; Georgepehli).