Si quelqu'un vous demande de définir « liquide », vous pouvez commencer par votre expérience quotidienne avec des choses que vous connaissez et qui sont qualifiées de liquides et tenter de généraliser à partir de là. L'eau, bien sûr, est le liquide le plus important et le plus omniprésent sur Terre; une chose qui le distingue est qu'il n'a pas de forme définie, mais se conforme à la forme de tout ce qui le contient, qu'il s'agisse d'un dé à coudre ou d'une dépression massive de la planète. Vous associez probablement « liquide » à « coulant », comme un courant de rivière ou de la glace fondue coulant le long d'un rocher.
Cette idée "Vous connaissez un liquide quand vous en voyez un" a cependant ses limites. L'eau est clairement un liquide, tout comme la soude. Mais qu'en est-il d'un milkshake, qui s'étale sur n'importe quelle surface sur laquelle il est versé, mais plus lentement que l'eau ou le soda. Et si un milk-shake est un liquide, que diriez-vous d'une crème glacée sur le point de fondre? Ou la glace elle-même? Il se trouve que les physiciens ont utilement produit des définitions formelles d'un liquide, ainsi que des deux autres états de la matière.
Quels sont les différents états de la matière ?
La matière peut exister dans l'un des trois états suivants: sous forme solide, liquide ou gazeuse. Vous pouvez voir des personnes utiliser indifféremment « liquide » et « fluide » dans le langage courant, par exemple: « Buvez beaucoup de liquide lorsque vous faites de l'exercice par temps chaud » et "Il est important de consommer beaucoup de liquides lors d'un marathon." Mais formellement, l'état liquide de la matière et l'état gazeux de la matière constituent ensemble fluides. Un fluide est tout ce qui n'a pas la capacité de résister à la déformation. Bien que tous les fluides ne soient pas des liquides, les équations physiques régissant les fluides s'appliquent universellement aux liquides ainsi qu'aux gaz. Par conséquent, tout problème mathématique que l'on vous demande de résoudre et qui implique des liquides peut être résolu en utilisant les équations régissant la dynamique et la cinétique des fluides.
Les solides, les liquides et les gaz sont constitués de particules microscopiques, le comportement de chacun déterminant l'état résultant de la matière. Dans un solide, les particules sont étroitement entassées, généralement selon un motif régulier; ces particules vibrent, ou « secouent », mais ne se déplacent généralement pas d'un endroit à l'autre. Dans un gaz, les particules sont bien séparées et n'ont pas d'arrangement régulier; ils vibrent et se déplacent librement à des vitesses considérables. Les particules dans un liquide sont proches les unes des autres, mais pas aussi serrées que dans les solides. Ces particules n'ont pas d'arrangement régulier et ressemblent à des gaz plutôt qu'à des solides à cet égard. Les particules vibrent, se déplacent et glissent les unes sur les autres.
Les gaz et les liquides prennent la forme des récipients qu'ils occupent, une propriété que les solides n'ont pas. Les gaz, parce qu'ils ont normalement beaucoup d'espace entre les particules, sont facilement comprimés par des forces mécaniques. Les liquides ne sont pas facilement compressibles, et les solides sont encore moins facilement compressés. Les gaz et les liquides, qui, comme indiqué ci-dessus, sont ensemble appelés fluides, s'écoulent facilement; les solides ne le font pas.
Quelles sont les propriétés des fluides ?
Premièrement, les fluides ont propriétés cinématiques, ou des propriétés liées au mouvement des fluides, telles que la vitesse et l'accélération. Bien entendu, les solides ont également de telles propriétés, mais les équations utilisées pour les décrire sont différentes. Deuxièmement, les fluides ont propriétés thermodynamiques, qui décrivent l'état thermodynamique d'un fluide. Ceux-ci inclus:
- Température
- pression
- densité
- énergie interne
- entropie spécifique
- enthalpie spécifique
- autres
Seuls quelques-uns d'entre eux seront détaillés ici. Enfin, les fluides ont un certain nombre de propriétés diverses qui n'entrent dans aucune des deux autres catégories (par exemple, la viscosité, une mesure de la friction d'un fluide; tension superficielle; et pression de vapeur).
Quels sont les différents types de fluides ?
Les deux fluides les plus intéressants dans le monde réel sont l'eau et l'air. Les types courants de liquides en plus de l'eau comprennent l'huile, l'essence, le kérosène, les solvants et les boissons. Bon nombre des liquides les plus couramment rencontrés, y compris les carburants et les solvants, sont toxiques, inflammables ou autrement dangereux, ce qui les rend dangereux pour avoir à la maison parce que si les enfants s'en emparent, ils peuvent les confondre avec des liquides potables et les consommer, ce qui entraîne de graves urgences sanitaires.
Le corps humain, et en fait presque toute la vie, est principalement constitué d'eau. Le sang n'est pas considéré comme un liquide, car les solides dans le sang ne sont pas uniformément dispersés ou complètement dissous dans celui-ci. Au lieu de cela, il est considéré comme une suspension. Le composant plasmatique du sang peut être considéré comme un liquide dans la plupart des cas. Quoi qu'il en soit, l'entretien des fluides est vital pour la vie quotidienne. Dans la plupart des situations, les gens ne pensent pas à quel point les liquides potables sont essentiels à la survie, car dans le monde moderne, il est rare de ne pas avoir facilement accès à de l'eau propre. Mais les gens ont régulièrement des problèmes physiques en raison de pertes excessives de liquide lors de compétitions sportives telles que les marathons, les matchs de football et triathlons, même si certains de ces événements comprennent littéralement des dizaines de postes de ravitaillement proposant de l'eau, des boissons pour sportifs et des gels énergétiques (ce qui pourrait être considéré liquides). C'est une curiosité de l'évolution que tant de gens parviennent à se déshydrater même en sachant généralement combien ils doivent boire pour atteindre les meilleures performances ou au moins éviter de se retrouver dans le médical tente.
L'écoulement d'un fluide
Une partie de la physique des fluides a été décrite, probablement suffisamment pour vous permettre de tenir le coup dans une conversation scientifique de base sur les propriétés des liquides. Cependant, c'est dans le domaine de l'écoulement des fluides que les choses deviennent particulièrement intéressantes.
La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les propriétés dynamiques des fluides. Dans cette section, en raison de l'importance de l'air et d'autres gaz dans l'aéronautique et d'autres domaines de l'ingénierie, « fluide » peut se référer à un liquide ou à un gaz - toute substance qui change de forme uniformément en réponse à les forces. Le mouvement des fluides peut être caractérisé par des équations différentielles, qui découlent du calcul. Le mouvement des fluides, comme le mouvement des solides, transfère de la masse, de la quantité de mouvement (la masse multipliée par la vitesse) et de l'énergie (la force multipliée par la distance) dans le flux. De plus, le mouvement des fluides peut être décrit par des équations de conservation, telles que les équations de Navier-Stokes.
Une façon dont les fluides se déplacent que les solides ne font pas, c'est qu'ils présentent un cisaillement. Ceci est une conséquence de la facilité avec laquelle les fluides peuvent être déformés. Le cisaillement fait référence aux mouvements différentiels dans un corps de fluide résultant de l'application de forces asymétriques. Un exemple est un canal d'eau, qui présente des remous et d'autres mouvements localisés alors même que l'eau dans son ensemble se déplace dans le canal à un taux fixe en termes de volume par unité de temps. La contrainte de cisaillement τ (la lettre grecque tau) d'un fluide est égale au gradient de vitesse (du/dy) multiplié par la viscosité dynamique; c'est-à-dire τ = μ(du/dy).
D'autres concepts liés aux mouvements des fluides incluent la traînée et la portance, qui sont tous deux cruciaux dans l'ingénierie aéronautique. La traînée est une force résistive qui se présente sous deux formes: La traînée de surface, qui agit uniquement sur la surface d'un corps traversant l'eau (par exemple, la peau d'un nageur) et la traînée de forme, qui a à voir avec la forme générale du corps se déplaçant à travers le fluide. Cette force s'écrit:
Fré = CréA(v2/2)
Où C est une constante qui dépend de la nature de l'objet soumis à la traînée, est la densité, A est la section transversale et v est la vitesse. De même, la portance, qui est une force nette qui agit perpendiculairement à la direction du mouvement d'un fluide, est décrite par l'expression:
FL = CLA(v2/2)
Les fluides en physiologie humaine
Environ 60% du poids total de votre corps est constitué d'eau. Environ les deux tiers de ce poids, ou 40 pour cent de votre poids total, se trouvent à l'intérieur des cellules, tandis que l'autre tiers, ou 20 pour cent de votre poids, se trouve dans ce qu'on appelle l'espace extracellulaire. La composante eau du sang se trouve dans cet espace extracellulaire et représente environ un quart de toute l'eau extracellulaire, c'est-à-dire 5 pour cent du total du corps. Étant donné qu'environ 60 % de votre sang est constitué de plasma, tandis que les 40 % restants sont constitués de solides (par exemple, les globules rouges), vous pouvez calculer la quantité de sang que vous avez dans votre corps en fonction de votre poids.
Une personne de 70 kg (154 livres) a environ (0,60) (70) = 42 kg d'eau dans son corps. Un tiers serait du liquide extracellulaire, environ 14 kg. Un quart de cela serait du plasma sanguin – 3,5 kg. Cela signifie que la quantité totale de sang dans le corps de cette personne pèse environ (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg.
