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Gradient de vitesse

Posté par
namizo
18-01-15 à 14:16

Bonjour,

j'aimerai avoir une définition clair et simple à propos "du gradient de vitesse".
J'ai cherché sur internet mais je ne comprends pas la définition donné par wikipédia :
La vitesse de cisaillement ou « gradient de vitesse »ou D, mesure le cisaillement appliqué au sein d'un fluide.
J'ai du mal avec le mot "cisaillement" il y a plusieurs définitions à propos de ce mot.

Merci de m'aider:

Posté par
prbebo
gradient de vitesse 19-01-15 à 14:59

Bonjour namizo,

je veux bien t'aider mais il faudrait que tu mettes ton profil à jour : si tu es vraiment en première la notion de gradient est bien trop compliquée pour toi : on ne l'aborde qu'en classes préparatoires aux grandes écoles, ou en deuxième année de licence universitaire.

D'une manière générale le gradient est un opérateur vectoriel qui s'applique à une grandeur scalaire variant d'un point à un autre de l'espace. On parle ainsi, en météorologie, de gradient de température, de gradient de pression etc... la direction et le sens du vecteur gradient indique la direction dans laquelle cette grandeur varie, et sa norme, qui s'exprime par une dérivée, donne le taux d'accroissement (ou de diminution) de cette grandeur.

En mécanique des fluides le gradient est très utilisé (les autres opérateurs aussi d'ailleurs, rotationnel, divergence... ça te parle ?).
Regarde la figure ci-dessous, extraite d'un cours de mécaflu que j'ai fait pour des étudiants en sciences de la vie et de la terre (donc peu amoureux de la physique...). Je te la décris :

Il s'agit d'un fluide (liquide ou gaz) qui s'écoule horizontalement, de la gauche vers la droite, à travers une canalisation horizontale donnée. Le plan P' en bas correspond à la paroi de cette canalisation et on admet que les molécules de fluide sont maintenues dessus par un frottement solide, donc elles sont immobiles : v = 0.
Les molécules situées juste au-dessus subissent un frottement visqueux (c'est celui qui existe dans un liquide qui a du mal à s'écouler : huile, tube de dentifrice etc...) ; elles ont donc du mal à se mouvoir mais se déplacent quand même avec une vitesse v petite.
Les molécules de fluide situées dans une troisième couche au-dessus des deux précédentes subissent elles aussi une force de frottement visqueux, mais comme elles glissent sur une couche qui est elle-même en mouvement, elles vont un peu plus vite.
Et ainsi de suite... lorsqu'on arrive aux particules de fluide situées au niveau du plan P, on a atteint la vitesse v, et la figure de droite montre la répartition verticale de la norme des différents vecteurs vitesse : elle augmente de bas en haut, linéairement sur mon schéma mais ce n'est pas toujours le cas (dans une canalisation cylindrique par exemple, c'est un poil plus compliqué...). Si l'on prend la norme du vecteur vitesse à l'altitude z, donc v(z), puis celle à l'altitude juste au-dessus, donc v(z+dz), et qu'on calcule le taux d'augmentation [v(z+dz) - v(z)]/dz, on obtient dans ce cas "simple" la norme du vecteur gradient de vitesse : le vecteur \vec{grad}v est vertical (puisque c'est dans cette direction que la vitesse varie) et et sa norme est bien sûr égale à dv/dz.  OK pour ça ?

Maintenant, pour expliquer ce qu'est le cisaillement, il n'y a plus de difficulté :
regarde le schéma de droite ; quelque part sur l'axe horizontal Ox on est parti d'un plan vertical (donc parallèle à Oz), mais un peu plus loin, du fait de la différence des vitesses les particules de fluide, qui étaient les unes au-dessus des autres dans ce plan, ne le sont plus ensuite : celles qui ont une plus grande vitesse ont parcouru plus de distance, et le plan est devenu oblique. Si on part d'un volume de fluide en forme de parallélépipède, en aval de l'écoulement il deviendra un prisme incliné vers l'avant. On dit qu'il a subi un cisaillement. Voir par exemple la première figure donnée sur wikipedia :

Si tu as des questions n'hésite pas.

gradient de vitesse



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