Statique et cinématique des fluides : pression, débits, viscosité et exercices corrigés
Modèle du fluide continu et particule de fluide ; pression, forces de pression et statique des fluides (cours complet en PT, TSI2 et PSI de France, rappel ailleurs) ; description eulérienne, lignes et tubes de courant, débits massique et volumique, conservation de la masse ; dérivée particulaire, divergence et rotationnel du champ des vitesses, potentiel des vitesses selon les programmes ; viscosité, force de cisaillement, condition d'adhérence et nombre de Reynolds.
- 23méthodes
- 41exercices corrigés
- 6problèmes
- 22pièges
- 116figures
Un fluide se décrit comme un milieu continu, par des champs , et définis à l'échelle de la particule de fluide, de taille grande devant le libre parcours moyen et petite devant la taille de l'écoulement (). Au repos dans le champ de pesanteur, la relation fondamentale de la statique (axe ascendant) donne dans un liquide incompressible, soit un bar de plus tous les dix mètres d'eau, et avec à dans l'atmosphère isotherme. En écoulement, la description eulérienne donne le champ des vitesses, ses lignes et ses tubes de courant ; le débit massique, flux de , se conserve le long d'un tube de courant en régime stationnaire, et pour un fluide incompressible . La viscosité dynamique , pour l'eau et pour l'air, fixe la force de cisaillement , et un fluide visqueux adhère aux parois. Au Maroc, le chapitre ouvre l'année de PSI, qui le voit en entier avec la dérivée particulaire, l'équation locale de conservation de la masse, le rotationnel et le potentiel des vitesses, la description de Lagrange et le nombre de Reynolds, la statique y étant un rappel de première année ; la TSI2 en retient la description eulérienne, les débits, la viscosité et la lecture d'une carte d'écoulement, sans opérateurs vectoriels, avec le même rappel de statique. En France, la statique est au programme de l'année en PSI, PT et TSI2 ; la PSI ajoute la dérivée particulaire et l'équation locale de conservation de la masse, la PC rappelle la statique et ajoute la dérivée particulaire, l'équation locale et le potentiel des vitesses, la PT et la TSI2 raisonnent sur des tranches et des tubes de courant, la PT y joignant la poussée d'Archimède et le nombre de Reynolds, et la TPC2 rappelle la statique et garde la description eulérienne, les débits et la force de viscosité. Il sert dans les épreuves de physique du CNC, de CCINP, de Centrale-Supélec, de Mines-Ponts, d'e3a-Polytech et de la Banque PT.
Ce que tu sauras faire
L'eau des robinets, l'air d'une tornade, l'huile d'un palier : pour prévoir ce que fait un fluide, il faut d'abord savoir le décrire. Ce chapitre donne le modèle du fluide continu, la statique dans le champ de pesanteur, la description eulérienne d'un écoulement avec ses débits et la conservation de la masse, les outils locaux (dérivée particulaire, divergence, rotationnel, potentiel des vitesses) et la viscosité. À la fin du chapitre, tu sais :
- choisir l'échelle mésoscopique et définir la particule de fluide ;
- exprimer les forces de pression et leur équivalent volumique, établir et intégrer la relation de la statique (liquide incompressible, atmosphère isotherme), calculer une résultante sur une paroi et utiliser la poussée d'Archimède ;
- décrire un écoulement par son champ des vitesses, tracer et lire lignes de courant, tubes de courant et trajectoires, calculer une dérivée particulaire ;
- calculer un débit comme un flux, écrire la conservation de la masse sous forme globale et locale, reconnaître un écoulement incompressible ;
- calculer un rotationnel, reconnaître un écoulement irrotationnel et introduire un potentiel des vitesses ;
- écrire la force de viscosité dans un cisaillement simple et son équivalent volumique, utiliser la condition d'adhérence.
L'essentiel : Le fluide et la particule de fluide Extrait gratuit
Le fluide est décrit par des champs continus , , , dès que les longueurs de l'écoulement sont grandes devant le libre parcours moyen ( nm dans l'air à 20 °C sous 1 bar). Une particule de fluide est un système fermé de taille mésoscopique , avec , de masse constante. Sa vitesse mésoscopique est la moyenne des vitesses de ses molécules.
| Grandeur (20 °C, 1 bar) | Eau | Air |
|---|---|---|
| masse volumique | ||
| viscosité dynamique | Pa s | Pa s |
| viscosité cinématique |
Une méthode du chapitre Extrait gratuit
Un écoulement stationnaire passe par des sections différentes (rétrécissement, lance, buse), se divise ou se rejoint (jonction de conduites), ou tombe en filet ; on demande une vitesse ou une section.
Régime stationnaire : identique à travers toutes les sections d'un tube de courant, somme des débits entrants égale à la somme des débits sortants. Fluide incompressible : conservé, .
- Délimiter un tube de courant (ou une surface fermée) et ses sections d'entrée et de sortie.
- Justifier les hypothèses : régime stationnaire, fluide incompressible.
- Écrire l'égalité des débits, ou la loi des nœuds.
- En déduire la vitesse ou la section cherchée.
« L'écoulement est stationnaire et l'eau incompressible : le débit volumique se conserve le long du tube de courant, , d'où . »
Un tuyau d'arrosage de diamètre intérieur mm transporte l'eau à ; la lance a un orifice de mm. : diviser le diamètre par quatre multiplie la vitesse par seize. Si le tuyau alimente deux lances identiques, chacune reçoit la moitié du débit, soit .
- Écrire la conservation de la vitesse au lieu de celle du débit.
- Utiliser pour un gaz dont la masse volumique change : c'est qui se conserve.
- Oublier qu'une section varie comme le carré du diamètre.
Exercices 4, 5 et 11.
Un exercice corrigé Extrait gratuit
Un robinet de section circulaire de diamètre débite d'eau. Le filet qui en sort est en écoulement stationnaire ; dans chaque section droite, la vitesse est uniforme. On admet que la vitesse d'une particule qui tombe d'une hauteur sous le robinet vaut , étant la vitesse à la sortie (chute libre, frottements négligés).
- Calculer .
- Pourquoi le débit volumique est-il le même à travers toutes les sections droites du filet ?
- Exprimer le diamètre du filet ; le calculer à sous le robinet.
Le filet est un tube de courant : l'eau ne traverse pas sa surface latérale. L'eau est incompressible.
-
La surface du filet est une surface de courant : aucune eau ne la traverse. En régime stationnaire, la masse comprise entre deux sections ne varie pas ; ce qui entre par la section du haut sort par celle du bas, et le débit massique est le même partout. L'eau étant incompressible, le débit volumique l'est aussi.
-
Conservation du débit : , d'où
À ,
et . L'eau accélère, donc la section diminue : c'est ce que l'on voit sous tout robinet peu ouvert.
Le long d'un tube de courant, en régime stationnaire et pour un fluide incompressible, se conserve : là où le fluide accélère, la section se resserre. Voir la méthode 8.
Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 23 méthodes, 22 pièges corrigés, la carte mentale, 41 exercices corrigés, 6 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Ce chapitre est offert : il s’ouvre en entier avec un compte d’essai gratuit.
Ouvrir l'essai gratuitVoir les offresPlan du cours
- 1. Le fluide et la particule de fluide
- 1.1 Qu'est-ce qu'un fluide
- 1.2 Le modèle du fluide continu
- 1.3 Trois échelles et particule de fluide
- 2. Pression et forces de pression
- 2.1 Forces volumiques et forces surfaciques
- 2.2 Pression
- 2.3 Équivalent volumique des forces de pression
- 3. Statique des fluides dans le champ de pesanteur
- 3.1 La relation fondamentale de la statique
- 3.2 Fluide incompressible et homogène
- 3.3 Atmosphère isotherme
- 3.4 Atmosphère non isotherme et intégration numérique
- 3.5 Océan et atmosphère : quand un fluide est-il incompressible
- 3.6 Résultante des forces de pression sur une paroi
- 3.7 Poussée d'Archimède
- 4. Décrire un écoulement
- 4.1 Deux points de vue
- 4.2 Champ eulérien des vitesses
- 4.3 Lignes de courant, tubes de courant, trajectoires
- 4.4 Écoulement stationnaire
- 4.5 Lire une carte, une photo ou une vidéo d'écoulement
- 4.6 Dérivée particulaire et accélération
- 4.7 Description de Lagrange
- 5. Débits et conservation de la masse
- 5.1 Densité de courant de masse et débit massique
- 5.2 Débit volumique et vitesse débitante
- 5.3 Conservation de la masse en régime stationnaire
- 5.4 Fluide incompressible : conservation du débit volumique
- 5.5 Équation locale de conservation de la masse
- 6. Viscosité
- 6.1 Fluide parfait et fluide visqueux
- 6.2 Force de viscosité dans un écoulement de cisaillement
- 6.3 Ordres de grandeur
- 6.4 Conditions aux limites
- 6.5 Viscosité et irréversibilité
- 6.6 Équivalent volumique des forces de viscosité
- 7. Lire une carte : écoulement divergent, écoulement rotationnel
- 7. Rotationnel, vecteur tourbillon et potentiel des vitesses
- 7.1 Lire le caractère divergent ou rotationnel sur une carte
- 7.2 Vecteur tourbillon
- 7.3 Écoulement irrotationnel et potentiel des vitesses
- 7.4 Trois tourbillons
- 8. Nombre de Reynolds
- 7. Nombre de Reynolds
- 8. Tracer des lignes de courant avec Python
- 8.1 Tracer les lignes de courant d'un champ plan
- 8.2 Intégrer une ligne de courant à partir d'un point
- 8.3 Contrôler le tracé
Les méthodes du chapitre
Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.
- Choisir l'échelle de description et vérifier le modèle du fluide continu
- Établir la relation fondamentale de la statique sur une tranche
- Calculer la pression dans un liquide incompressible : profondeur, interfaces, tube en U
- Intégrer la statique d'un gaz : atmosphère isotherme, échelle de hauteur, gradient de température
- Juger si un fluide peut être tenu pour incompressible
- Lire une carte, une photo ou une vidéo d'écoulement
- Calculer un débit comme un flux et une vitesse débitante
- Appliquer la conservation du débit : tube de courant, nœuds, filet d'eau
- Écrire la force de viscosité dans un cisaillement simple et en déduire une force ou un couple
- Fixer un profil de vitesse par les conditions aux limites
- Calculer la résultante des forces de pression sur une paroi plane
- Calculer la résultante des forces de pression sur une paroi courbe
- Appliquer la poussée d'Archimède, ou s'en passer quand ses conditions manquent
- Exprimer l'équivalent volumique des forces de pression et écrire la statique sous forme locale
- Calculer une dérivée particulaire et l'accélération d'une particule de fluide
- Écrire un bilan de masse local et tester l'incompressibilité
- Calculer le rotationnel, le vecteur tourbillon et reconnaître un écoulement irrotationnel
- Introduire un potentiel des vitesses
- Écrire l'équivalent volumique de la viscosité et l'utiliser
- Passer de la description de Lagrange à celle d'Euler
- Estimer un nombre de Reynolds et conclure sur le régime d'écoulement
- Tracer des lignes de courant avec Python
- Lire le caractère divergent ou rotationnel d'un écoulement sur une carte
Les exercices corrigés
Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.
Application directe (15)
- Particule de fluide : combien de molécules, quel libre parcours moyen
- Trois liquides dans un tube en U
- Cent mètres d'air : la pression est-elle uniforme ?
- Remplir un seau : débits et vitesse débitante
- Le filet d'eau qui s'amincit en tombant
- Plaque tirée sur un film d'huile : frottement visqueux ou frottement sec
- Lire une photo d'écoulement : pose courte, pose longue, stationnarité
- Iceberg et montée des océans
- Barrage plan : résultante et point d'application
- Accélération locale et convective : le tuyau qu'on ouvre, le rétrécissement
- Stationnaire ? Incompressible ? Classer des champs de vitesse
- Écoulement dans un coin : le champ (−kx, ky)
- Rotation solide ou tourbillon libre
- Six nombres de Reynolds
- Divergent ou rotationnel : lire quatre cartes
Entraînement (21)
- Château d'eau et robinets d'une salle d'ablutions
- Au sommet de l'Everest : atmosphère isotherme et gradient thermique
- Masse de l'atmosphère et des océans
- Un réseau de distribution : loi des nœuds des débits
- Lire la viscosité sur un profil de vitesse
- Viscosimètre à cylindres coaxiaux : force et couple
- Barrage hémicylindrique
- Dôme hémisphérique au fond d'une cuve, par deux méthodes
- Barrage-poids d'Isola 2000
- Sous-marin : pression et poussée d'Archimède
- Le tube de courant d'une éolienne : conservation intégrale et locale
- Sens des deux termes de la dérivée particulaire
- Une particule qui garde son volume
- Tornade et analogie d'Ampère
- Potentiel des vitesses autour d'un cylindre
- Lagrange ou Euler : trajectoires hyperboliques et lignes de courant
- Écoulement dans une conduite : Reynolds, adhérence, force de viscosité
- Eau froide, eau chaude, ruisseau : le régime change-t-il ?
- Tracer des lignes de courant avec Python : coin et cylindre
- Un cylindre en équilibre à l'interface de deux liquides
- Source linéique, puits et cisaillement : divergence, rotationnel, accélération
Approfondissement (5)
- Un pavé qui glisse sur un film lubrifiant
- L'entonnoir retourné
- Le trafic routier traité comme un fluide
- Vagues : conservation de la masse et potentiel
- L'atmosphère type en Python : troposphère à gradient, puis couche isotherme
Les problèmes de concours
Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.
- Champ de pression dans la troposphère
- Écoulements à surface libre : débits et film visqueux
- Sondage atmosphérique au ballon-sonde
- Centrale hydroélectrique : statique de l'eau et barrage-poids
- Modélisation d'une tornade
- Une gouttelette de pluie et un barrage-voûte
Questions fréquentes
Comment calculer la pression dans un liquide au repos ?
La relation fondamentale de la statique, l'axe étant vertical ascendant, s'écrit ; elle s'établit sur l'équilibre d'une tranche horizontale de fluide. Pour un liquide incompressible et homogène, elle s'intègre en à la profondeur sous une surface libre à la pression : dans l'eau, la pression gagne environ tous les . Deux points d'un même liquide continu à la même altitude ont la même pression, et la pression est continue à travers l'interface de deux liquides non miscibles au repos : c'est ce qui règle les tubes en U. Un château d'eau dont la surface est au-dessus d'un robinet y donne une surpression de , quel que soit le volume de la cuve.
Comment varie la pression de l'air avec l'altitude ?
L'air est assimilé à un gaz parfait de masse molaire , de masse volumique , et la statique donne . Si la température est uniforme, avec l'échelle de hauteur , environ à . Sur , la pression ne varie que de : dans une salle ou un récipient, la pression d'un gaz est uniforme. Au sommet du Toubkal, à , le modèle donne . Dans la troposphère, où avec , la loi exacte donne à , contre pour le modèle isotherme à .
Quelle différence entre ligne de courant et trajectoire ?
À un instant fixé, une ligne de courant est tangente en chacun de ses points au champ des vitesses ; la trajectoire est le chemin suivi par une particule de fluide au cours du temps. En général elles diffèrent : une ligne de courant est une image instantanée, une trajectoire une histoire. En régime stationnaire, quand les champs eulériens ne dépendent pas du temps dans le référentiel d'étude, les lignes de courant sont fixes et confondues avec les trajectoires. Sur une photo d'écoulement semé de traceurs, la pose courte montre les lignes de courant et la pose longue des morceaux de trajectoires ; si les deux ont la même allure, l'écoulement est stationnaire dans le référentiel de l'appareil.
Comment calculer un débit volumique et une vitesse débitante ?
Le débit massique à travers une surface orientée est le flux de la densité de courant de masse : est la somme des sur la surface, en kg/s, où seule la composante normale de la vitesse fait traverser. Le débit volumique est le flux du champ des vitesses, somme des , en m³/s, et la vitesse débitante sur une section d'aire vaut ; si est uniforme sur la section, . Un seau de rempli en correspond à . Pour un profil parabolique dans une conduite circulaire, et non : les couronnes lentes, près de la paroi, ont la plus grande aire.
Quand le débit se conserve-t-il le long d'une conduite ?
En régime stationnaire, le débit massique est le même à travers toutes les sections d'un tube de courant, car aucune masse ne traverse sa paroi latérale ; à une jonction de conduites, la somme des débits entrants égale la somme des débits sortants. Pour un fluide de masse volumique uniforme et constante, le débit volumique se conserve aussi, : la vitesse débitante varie comme l'inverse de la section, donc comme l'inverse du carré du diamètre. Pour un gaz dont la masse volumique change, seul se conserve. Le filet d'eau d'un robinet s'amincit en tombant pour cette raison : l'eau accélère, à la distance sous le robinet, et son diamètre vaut .
Qu'est-ce que la viscosité dynamique d'un fluide ?
La viscosité traduit le frottement entre couches de fluide qui glissent les unes sur les autres. Dans un écoulement de cisaillement d'un fluide newtonien, le fluide situé du côté des croissants exerce sur l'autre, à travers une surface , la force tangentielle . La viscosité dynamique s'exprime en Pa s, la viscosité cinématique en m²/s. À 20 °C, vaut Pa s pour l'air, Pa s pour l'eau et Pa s pour la glycérine. Au contact d'une paroi, un fluide visqueux en prend la vitesse (condition d'adhérence) ; un fluide parfait, lui, peut y glisser.
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