Rhéologie

Définition

La rhéologie est la science des déformations et écoulements de la matière, des contraintes qui en résultent et des efforts qu'il faut lui appliquer pour les obtenir. La rhéologie est ainsi une branche de la mécanique des milieux continus qui a trait aux relations entre la contrainte, la déformation et l'écoulement de la matière.

Les calculs en rhéologie :

Déformation causée par (a) cisaillement pur et (b) extension pure. En (a) h est la hauteur de l'espace entre deux plaques. La plaque supérieure se déplace à la vitesse V. Un échantillon initialement rectangulaire change de forme en un échantillon caractérisé par l'angle γ. En (b), une tige est étirée de la longueur L₀ à L.

Explications

La rhéologie est la science de la déformation des matériaux. Elle comprend la théorie "sous-jacente" à la déformation et la pratique de la mesure.

Cette science est universelle, on la rencontre dans tous les domaines de l'activité humaine, et ses applications vont de la mise en forme des produits industriels quel qu'en soit le matériau, aux comportements de la matière vivante. La rhéologie est aussi interdisciplinaire, car elle fait appel à la mécanique, la physique, la chimie et la biologie, qui lui fournissent ses instruments de base, et elle se montre utile à chacune de ces disciplines.

⭐ Voir aussi la rhéométrie et ce qui est rhéophile.

✅ Une définition plus moderne exprime le fait que la rhéologie est la partie de la physique qui étudie la relation entre le stress et la déformation dans des matériaux capables de s'écouler. La rhéologie fait partie de la mécanique des milieux continus. L'un des objectifs les plus importants en rhéologie est de trouver des équations constitutives pour modéliser le comportement des matériaux. Ces équations sont généralement de nature tensorielle.

Les propriétés mécaniques étudiées par la rhéologie peuvent être mesurées à l'aide de rhéomètres, des dispositifs qui permettent au matériau de subir différents types de déformations contrôlées et de mesurer les contraintes ou inversement. Certaines des propriétés rhéologiques les plus importantes sont :

• viscosité apparente (relation entre l'effort de coupe et la vitesse de coupe);
• Coefficients de contrainte normaux;
• Viscosité complexe (réponse aux efforts de coupe oscillatoires);
• Module de stockage et module de perte (comportement viscoélastique linéaire);
• Fonctions de viscoélasticité non linéaires complexes.

Les études théoriques en rhéologie utilisent parfois des modèles microscopiques pour expliquer le comportement d'un matériau. Par exemple, dans l'étude des polymères, ceux-ci peuvent être représentés par des chaînes de sphères reliées par des liaisons rigides ou élastiques.

Si nous examinons le sens étymologique du mot "rhéologie", nous pourrions le définir comme étant la science des flux. La rhéologie décrit la déformation d'un corps sous l'influence de contraintes, mais la rhéologie n'est pas limitée aux polymères, elle peut être appliquée à tous types de matériaux, solides, liquides ou gazeux.

Un solide idéal est déformé élastiquement et l'énergie nécessaire à la déformation est pleinement récupérée lorsque la contrainte appliquée est éliminée. Alors que les fluides idéaux sont déformés de manière irréversible, ils s'écoulent et l'énergie nécessaire à la déformation se dissipe à l'intérieur du fluide sous forme de chaleur et ne peut pas être récupérée lorsque les contraintes sont éliminées. Mais seuls quelques liquides se comportent comme des liquides idéaux. la grande majorité des liquides présentent un comportement rhéologique classé dans une région intermédiaire entre les liquides et les solides : ils sont à la fois élastiques et visqueux, raison pour laquelle ils sont appelés "viscoélastiques". D'autre part, les solides réels peuvent se déformer de manière irréversible sous l'influence de forces suffisamment importantes. En bref, ils peuvent couler.

Dans cette classification des comportements rhéologiques des matériaux en fonction de leur réponse aux contraintes appliquées, un nouveau paramètre doit être introduit : l'échelle de temps dans laquelle la déformation est appliquée. Pour cela, une nouvelle magnitude est définie qui prend en compte le temps d'observation; C'est le nombre de Deborah : De = λ/t, où λ est le temps de relaxation et t est le temps d'observation.

En ce sens, on peut dire que les solides ont un temps de relaxation infini, alors que dans le cas des liquides, cette valeur est proche de zéro; Par exemple, le temps de relaxation de l'eau est de 10–12 secondes. D'autre part, si nous considérons des processus de déformation caractéristiques associés à des temps d'observation typiques, nous pouvons dire qu'un grand nombre de Deborah définit un comportement de type solide et qu'un petit nombre de Deborah définit un comportement de type liquide.

L'exemple suivant peut aider à comprendre ce qui a été expliqué jusqu'à présent : les vitraux de la cathédrale de Chartres en France coulent depuis leur fabrication il y a 600 ans. À l'époque médiévale, ces vitraux avaient une épaisseur uniforme sur toute leur longueur, mais aujourd'hui, les molécules de verre ont coulé à cause de la gravité, de sorte que l'épaisseur au fond est plus de deux fois supérieure à la partie supérieure. Le temps d'observation si grand fait que le nombre de Deborah est petit, de sorte que les solides tels que le verre peuvent être classés comme des liquides.

En conclusion, on peut dire que des substances telles que l'eau ou le verre ne peuvent être classées comme liquides ou solides, mais au mieux on peut dire qu'elles ont un comportement liquide ou solide dans certaines conditions de stress, de déformation ou de temps.

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