Oobleck est depuis longtemps mon exemple préféré de fluide non newtonien, et je ne suis pas seul. Il s’agit d’une expérience de « science culinaire » extrêmement populaire car elle est simple et facile à réaliser. Mélangez une partie d’eau à deux parties de fécule de maïs, ajoutez une pincée de colorant alimentaire pour vous amuser, et vous obtenez de l’oobleck, qui se comporte comme un liquide ou un solide, selon le niveau de stress appliqué. Remuez-le lentement et régulièrement, et c’est un liquide. Frappez-le fort et il deviendra plus solide sous votre poing. Vous pouvez même remplir de petites piscines avec ces objets et les traverser, car l’oobleck durcira à chaque fois que vous descendez – une démonstration de physique spectaculaire qui apparaît naturellement beaucoup sur YouTube.
Les principes physiques sous-jacents à cette substance simple sont étonnamment nuancés et complexes, et fascinent donc les scientifiques. Les ingénieurs moléculaires de l’Université de Chicago ont utilisé des suspensions denses de nanoparticules piézoélectriques pour mesurer ce qui se passe au niveau moléculaire lorsque l’oobleck passe d’un comportement liquide à un comportement solide, selon un nouvel article publié dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.
Vers la fin de sa vie, Isaac Newton a exposé les propriétés d’un « liquide idéal ». L’une de ces propriétés est la viscosité, vaguement définie comme le degré de friction/résistance à l’écoulement dans une substance donnée. Le frottement se produit parce qu’un liquide qui s’écoule est essentiellement une série de couches glissant les unes sur les autres. Plus une couche glisse rapidement sur une autre, plus il y a de résistance ; plus une couche glisse lentement sur une autre, moins il y a de résistance. Mais le monde n’est pas un endroit idéal.
Dans le fluide idéal de Newton, la viscosité dépend en grande partie de la température et de la pression : l’eau continuera à couler quelles que soient les autres forces agissant sur elle, comme l’agitation ou le mélange. Dans un fluide non newtonien, la viscosité change en réponse à une déformation ou une force de cisaillement appliquée, chevauchant ainsi la frontière entre le comportement liquide et solide. Remuer une tasse d’eau produit une force de cisaillement et l’eau se déplace pour s’écarter. La viscosité reste inchangée. Mais pour les fluides non newtoniens comme l’oobleck, la viscosité change lorsqu’une force de cisaillement est appliquée.
Le ketchup, par exemple, est un fluide non newtonien épaississant par cisaillement, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles le fait de frapper le fond de la bouteille ne fait pas sortir le ketchup plus rapidement ; l’application d’une force augmente la viscosité. Le yaourt, la sauce, la boue, le pudding et les garnitures pour tarte épaissies en sont d’autres exemples. Et Oobleck aussi. (Le nom dérive d’un livre pour enfants du Dr Seuss de 1949, Barthélemy et l’Oobleck.) En revanche, la peinture qui ne coule pas présente un effet « diluant au cisaillement », s’appliquant facilement au pinceau mais devenant plus visqueuse une fois appliquée sur le mur.
A. Baumgarten, K. Kamrin et J. Bales
En 2019, des chercheurs du MIT ont développé un modèle mathématique pratique pour prédire comment l’oobleck passe du liquide au solide et inversement dans différentes conditions. Ils ont adapté leur modèle de travail au sable humide, un matériau granulaire. Il existe certaines similitudes, mais les particules d’amidon de maïs contenues dans l’oobleck font un centième de la taille d’un grain de sable (entre 1 et 10 microns). À ces petites échelles, la physique est nettement différente. Par exemple, la température a davantage d’impact sur les particules d’amidon de maïs, tout comme les charges électriques, qui s’accumulent entre les particules pour provoquer un effet de répulsion. Ainsi, alors que le sable humide a la même viscosité à n’importe quelle densité de tassement donnée, quelle que soit la contrainte appliquée (par exemple, agitation ou poinçonnage), la viscosité de l’oobleck change considérablement.
L’équipe du MIT a spécifiquement ajouté une « variable d’agglomération » à son modèle, décrivant la quantité de contact de friction entre les particules d’amidon de maïs par opposition au contact lubrifié pour prédire comment cette nouvelle variable changerait en réponse à différents stress. Ensuite, ils ont effectué des simulations informatiques d’expériences de laboratoire antérieures, qui impliquaient de presser et de cisailler un oobleck entre deux plaques et de tirer un petit projectile simulé dans un réservoir d’oobleck, pour tester les prédictions du modèle. Ces simulations correspondaient aux résultats expérimentaux des études antérieures.