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Prepa Help › Cours › Physique, 2e année

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.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Un fluide se décrit comme un milieu continu, par des champs ρ(M,t)\rho(M, t), P(M,t)P(M, t) et v⃗(M,t)\vec v(M, t) définis à l'échelle de la particule de fluide, de taille aa grande devant le libre parcours moyen ℓ\ell et petite devant la taille LL de l'écoulement (ℓ≪a≪L\ell \ll a \ll L). Au repos dans le champ de pesanteur, la relation fondamentale de la statique dPdz=−ρg\frac{\mathrm dP}{\mathrm dz} = -\rho g (axe ascendant) donne P=P0+ρghP = P_0 + \rho g h dans un liquide incompressible, soit un bar de plus tous les dix mètres d'eau, et P=P0 e−z/HP = P_0\,\mathrm e^{-z/H} avec H=RTMg≈8,4 kmH = \frac{RT}{Mg} \approx 8{,}4\ \text{km} à 288 K288\ \text{K} 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 ρv⃗\rho\vec v, se conserve le long d'un tube de courant en régime stationnaire, et pour un fluide incompressible V1S1=V2S2V_1S_1 = V_2S_2. La viscosité dynamique η\eta, 1,0⋅10−3 Pa s1{,}0\cdot10^{-3}\ \text{Pa s} pour l'eau et 1,8⋅10−5 Pa s1{,}8\cdot10^{-5}\ \text{Pa s} pour l'air, fixe la force de cisaillement η∂vx∂y dS\eta\frac{\partial v_x}{\partial y}\,\mathrm dS, 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 :

L'essentiel : Le fluide et la particule de fluide Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

Définition Modèle continu et particule de fluide

Le fluide est décrit par des champs continus ρ(M,t)\rho(M, t), P(M,t)P(M, t), T(M,t)T(M, t), v⃗(M,t)\vec v(M, t) dès que les longueurs de l'écoulement sont grandes devant le libre parcours moyen (ℓ≈70\ell \approx 70 nm dans l'air à 20 °C sous 1 bar). Une particule de fluide est un système fermé de taille mésoscopique aa, avec ℓ≪a≪L\ell \ll a \ll L, de masse constante. Sa vitesse mésoscopique est la moyenne des vitesses de ses molécules.

Grandeur (20 °C, 1 bar) Eau Air
masse volumique ρ\rho 1,0⋅103 kg m−31{,}0\cdot10^3\ \mathrm{kg\,m^{-3}} 1,2 kg m−31{,}2\ \mathrm{kg\,m^{-3}}
viscosité dynamique η\eta 1,0⋅10−31{,}0\cdot10^{-3} Pa s 1,8⋅10−51{,}8\cdot10^{-5} Pa s
viscosité cinématique ν\nu 1,0⋅10−6 m2 s−11{,}0\cdot10^{-6}\ \mathrm{m^2\,s^{-1}} 1,5⋅10−5 m2 s−11{,}5\cdot10^{-5}\ \mathrm{m^2\,s^{-1}}

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

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.

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Plan du cours

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.

  1. Choisir l'échelle de description et vérifier le modèle du fluide continu
  2. Établir la relation fondamentale de la statique sur une tranche
  3. Calculer la pression dans un liquide incompressible : profondeur, interfaces, tube en U
  4. Intégrer la statique d'un gaz : atmosphère isotherme, échelle de hauteur, gradient de température
  5. Juger si un fluide peut être tenu pour incompressible
  6. Lire une carte, une photo ou une vidéo d'écoulement
  7. Calculer un débit comme un flux et une vitesse débitante
  8. Appliquer la conservation du débit : tube de courant, nœuds, filet d'eau
  9. Écrire la force de viscosité dans un cisaillement simple et en déduire une force ou un couple
  10. Fixer un profil de vitesse par les conditions aux limites
  11. Calculer la résultante des forces de pression sur une paroi plane
  12. Calculer la résultante des forces de pression sur une paroi courbe
  13. Appliquer la poussée d'Archimède, ou s'en passer quand ses conditions manquent
  14. Exprimer l'équivalent volumique des forces de pression et écrire la statique sous forme locale
  15. Calculer une dérivée particulaire et l'accélération d'une particule de fluide
  16. Écrire un bilan de masse local et tester l'incompressibilité
  17. Calculer le rotationnel, le vecteur tourbillon et reconnaître un écoulement irrotationnel
  18. Introduire un potentiel des vitesses
  19. Écrire l'équivalent volumique de la viscosité et l'utiliser
  20. Passer de la description de Lagrange à celle d'Euler
  21. Estimer un nombre de Reynolds et conclure sur le régime d'écoulement
  22. Tracer des lignes de courant avec Python
  23. 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)

Entraînement (21)

Approfondissement (5)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Comment calculer la pression dans un liquide au repos ?

La relation fondamentale de la statique, l'axe (Oz)(Oz) étant vertical ascendant, s'écrit dPdz=−ρg\dfrac{dP}{dz} = -\rho g ; elle s'établit sur l'équilibre d'une tranche horizontale de fluide. Pour un liquide incompressible et homogène, elle s'intègre en P=P0+ρghP = P_0 + \rho g h à la profondeur hh sous une surface libre à la pression P0P_0 : dans l'eau, la pression gagne environ 1 bar1\ \text{bar} tous les 10 m10\ \text{m}. 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 25 m25\ \text{m} au-dessus d'un robinet y donne une surpression de 2,5 bar2{,}5\ \text{bar}, 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 M=29 g/molM = 29\ \text{g/mol}, de masse volumique ρ=PMRT\rho = \dfrac{PM}{RT}, et la statique donne dPdz=−MgRTP\dfrac{dP}{dz} = -\dfrac{Mg}{RT}P. Si la température est uniforme, P(z)=P0 e−z/HP(z) = P_0\,e^{-z/H} avec l'échelle de hauteur H=RTMgH = \dfrac{RT}{Mg}, environ 8,4 km8{,}4\ \text{km} à 288 K288\ \text{K}. Sur 100 m100\ \text{m}, la pression ne varie que de 1,2 %1{,}2\ \% : dans une salle ou un récipient, la pression d'un gaz est uniforme. Au sommet du Toubkal, à 4 167 m4\,167\ \text{m}, le modèle donne 0,61 P00{,}61\,P_0. Dans la troposphère, où T=T0−αzT = T_0 - \alpha z avec α=6,5 K/km\alpha = 6{,}5\ \text{K/km}, la loi exacte donne 22,6 kPa22{,}6\ \text{kPa} à 11 km11\ \text{km}, contre 27,4 kPa27{,}4\ \text{kPa} pour le modèle isotherme à 288 K288\ \text{K}.

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 v⃗(M,t)\vec v(M, t) ; 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 j⃗=ρv⃗\vec j = \rho\vec v : DmD_m est la somme des ρ v⃗⋅n⃗ dS\rho\,\vec v\cdot\vec n\,dS 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 v⃗⋅n⃗ dS\vec v\cdot\vec n\,dS, en m³/s, et la vitesse débitante sur une section d'aire SS vaut V=DvSV = \dfrac{D_v}{S} ; si ρ\rho est uniforme sur la section, Dm=ρDvD_m = \rho D_v. Un seau de 10 L10\ \text{L} rempli en 40 s40\ \text{s} correspond à Dv=2,5⋅10−4 m3/sD_v = 2{,}5\cdot10^{-4}\ \text{m}^3/\text{s}. Pour un profil parabolique dans une conduite circulaire, V=vmax2V = \dfrac{v_{max}}{2} et non 23vmax\dfrac{2}{3}v_{max} : 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, V1S1=V2S2V_1S_1 = V_2S_2 : 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 DmD_m se conserve. Le filet d'eau d'un robinet s'amincit en tombant pour cette raison : l'eau accélère, v2=v02+2gzv^2 = v_0^2 + 2gz à la distance zz sous le robinet, et son diamètre vaut d=d0v0vd = d_0\sqrt{\dfrac{v_0}{v}}.

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 v⃗=vx(y) u⃗x\vec v = v_x(y)\,\vec u_x d'un fluide newtonien, le fluide situé du côté des yy croissants exerce sur l'autre, à travers une surface dSdS, la force tangentielle dF⃗=η∂vx∂y dS u⃗xd\vec F = \eta\dfrac{\partial v_x}{\partial y}\,dS\,\vec u_x. La viscosité dynamique η\eta s'exprime en Pa s, la viscosité cinématique ν=ηρ\nu = \dfrac{\eta}{\rho} en m²/s. À 20 °C, η\eta vaut 1,8⋅10−51{,}8\cdot10^{-5} Pa s pour l'air, 1,0⋅10−31{,}0\cdot10^{-3} Pa s pour l'eau et 1,41{,}4 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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