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Pourquoi les particules fines ne tombent pas ? Chute libre et suspensions



  1. #1
    Sdoumas

    Pourquoi les particules fines ne tombent pas ? Chute libre et suspensions

    Bonjour à tous !

    Tout à l'heure je me suis posé une question que je ne m'était jamais posé tant le phénomène a l'air simple et intuitif: pourquoi les particules fines dans l'air (poussière, sprays, aerosols) ne tombent naturellement pas au sol ? Ou plutôt pourquoi tombent-t-elles si lentement ? Et j'ai été surpris de ne pas trouver de réponse évidente à cette question.

    Tout physicien étant allé en terminale S sait que les corps tombent tous à la même vitesse independemment de leur masse. Il y a donc une force quI tire les particules vers le haut. Dans cette expérience, j'imagine une suspensions de particules légères dans une boîte (pas de vent ou de recirculation d'air) qui tombe. Intuitivement on voudrait dire que les particules les plus fines et donc plus légères vont tomber plus lentement, et ça a l'air d'être le cas (peut être me trompe-je). Dans tous les cas, les particules tomberont plus lentement qu'une boule en acier centimètrique.

    Quelle est cette force ? Pas la poussée d'archimede car celle ci dépend du volume et devrait donc etre tres faible pour des particules très fines. Est-ce du à la viscosité de l'air ? Nombre de reynolds faible donc forces visqueuses importantes, malgré que l'air ait une viscosité faible et que la friction autour d'une sphère (loi de stokes) diminue si on diminue le volume. Est ce due à des gradients de pression dans l'air ?

    Une autre question que j'avais à propos de la chute libre. On voit bien que une feuille de papier tombe plus lentement qu'une bille. Cela est dû aux frottements de l'air car la feuille à une grande résistance due à sa surface. Pourtant, une feuille de la même taille en plastique ou en métal tombera plus vite, même si elle reste parfaitement horizontale pendant la chute. Qu'est ce qui explique que pour une même géométrie, on puisse avoir des vitesses de chute différentes ?

    Comme quoi une simple chute libre est plus complexe qu'il n'y paraît.

    Merci d'avance

    -----


  2. #2
    LPFR

    Re : Pourquoi les particules fines ne tombent pas ? Chute libre et suspensions

    Bonjour et bienvenu au forum.
    Les particules fines tombent, mais çà faible vitesse. Si vous ne faites pas le ménage souvent, une couche de poussière se dépose partout.
    Mais comme la vitesse de descente est faible (quelques cm/s pour des particules dans les 10 µm), elle est parfois contrecarrée par la vitesse des courants d’air ascendants.
    La vitesse limite de descente de petites particules est bien donnée par la loi de Stokes. Je vous invite à faire le calcul pour des particules fines.

    La vitesse limite pour un objet de forme quelconque, correspond à la vitesse pour laquelle des forces de traînée équilibrent le poids de l’objet (moins la poussée d’Archimède). Pour équilibrer le poids une plaque métallique il faut plus de vitesse que pour une feuille de papier.
    Au revoir.

  3. #3
    Sdoumas

    Re : Pourquoi les particules fines ne tombent pas ? Chute libre et suspensions

    Merci pour ces précisions

    Je me suis demandé aussi quelle est la différence fondamentale entre friction de stokes et la friction classique de l'air (traînée). Quelles sont les hypothèses de l'une et de l'autre ? La friction de stokes varie avec v alors que la traînée avec v^2, le comportement est donc bien différent. Est-ce simplement une question d'échelle ? Ou de régime d'écoulement ? Je sais quelles sont utilisées dans des contextes différents (Reynolds faible et petit objet dans un liquide pour stokes et chute libre freinée dans l'air pour la traînée) mais elles décrivent pourtant le même phénomène, le frottement d'un fluide sur un solide.

    Merci !

  4. #4
    LPFR

    Re : Pourquoi les particules fines ne tombent pas ? Chute libre et suspensions

    Bonjour.
    C’est bien le régime d’écoulement. La dépendance est avec ‘v’ pour des faibles vitesse et donc, écoulement laminaire. Quand l’écoulement n’est pas laminaire la traînée augmente avec ‘v²’.
    Au revoir.

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