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Dec 05, 2023

Pour découvrir de nouvelles lois sur l’écoulement des fluides, les chercheurs se tournent vers les pailles

23 mars 2023 Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

23 mars 2023

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faits vérifiés

publication évaluée par des pairs

source fiable

relire

par l'Université de New York

Une équipe de chercheurs a découvert de nouvelles lois régissant l’écoulement des fluides grâce à des expériences sur une technologie vieille de plusieurs milliers d’années : une paille. Ces connaissances pourraient être utiles pour améliorer la gestion des fluides dans les applications médicales et techniques.

"Nous avons découvert que siroter avec une paille défie toutes les lois connues sur la résistance ou la friction de l'écoulement dans un tuyau ou un tube", explique Leif Ristroph, professeur agrégé au Courant Institute of Mathematical Sciences de l'Université de New York et auteur de l'étude. , qui apparaît dans le Journal of Fluid Mechanics. "Cela nous a motivé à rechercher une nouvelle loi qui pourrait fonctionner pour n'importe quel type de fluide se déplaçant à tout moment dans un tuyau de n'importe quelle taille."

Les flux de liquides et de gaz à travers des tuyaux, des tubes et des conduits se produisent dans de nombreuses situations dans la nature et dans l'industrie, comme dans le cas du flux sanguin et dans les oléoducs.

"Le problème de l'écoulement dans les conduites a toujours été l'un des plus fondamentaux et des plus importants dans l'étude de la mécanique des fluides, et à bien des égards, ce domaine a été développé pour résoudre ce problème", explique Ristroph, directeur du laboratoire de mathématiques appliquées de NYU, où les recherches a été réalisée.

Cependant, dans leurs travaux, Ristroph et ses collègues ont découvert que toutes les lois connues concernant la pression et le débit n'étaient exactes que sous certaines conditions.

Pour arriver à cette conclusion, ils ont mené une série d’expériences : mesures de débit et de pression pour des tuyaux métalliques de différentes longueurs et diamètres utilisant plusieurs types de liquides. L'objectif était de déterminer le lien entre ces facteurs et la résistance au frottement de l'écoulement traversant le tuyau.

"Nos données ont montré que les lois célèbres et classiques du frottement d'écoulement ne sont précises que pour certaines combinaisons de vitesses d'écoulement et de tailles de tuyaux", explique Ristroph. "Nous avons identifié les conditions dans lesquelles les lois existantes ne fonctionnent pas bien et nous avons trouvé un bon exemple juste sous notre nez : boire avec une paille."

On pense que les pailles à boire ont été utilisées il y a 5 500 ans au début de la civilisation mésopotamienne de Sumérie. Mais l’hydrodynamique de leur fonctionnement n’avait pas été étudiée auparavant.

Les chercheurs ont élargi leur étude pour inclure plusieurs types de pailles – un type d’agitateur à café fin, un type de soda ordinaire et un type de thé à bulles large – et ils ont réalisé des expériences pour déterminer la friction pour les débits typiques lors de la consommation.

Les données sur les pailles et les tuyaux de taille similaire ne correspondent à aucune des lois connues, qui portent le nom de leurs découvreurs, les scientifiques Evangelista Torricelli et Jean Léonard Marie Poiseuille, entre autres.

Les chercheurs ont découvert que chaque loi classique échoue parce qu’elle suppose que le tuyau est soit très court, soit très long, et que l’écoulement est soit très lent, soit très rapide. Les cas intermédiaires, y compris les pailles, impliquent des facteurs complexes tels que la manière dont le débit change le long du tuyau et s'il devient lisse et laminaire ou rugueux et turbulent.

La modélisation de ces effets a permis à l’équipe de dériver une formule mathématique unique, et ses prédictions correspondaient aux mesures expérimentales pour tous les tuyaux et pailles ainsi que pour tous les fluides et vitesses d’écoulement testés.

"Une formule universelle pourrait être très utile, par exemple, pour comprendre et modéliser le flux sanguin dans le système circulatoire", observe Ristroph. "Nos veines, artères et capillaires sont essentiellement des tuyaux avec de nombreux diamètres, longueurs et débits différents."