Viscoélasticité du Silly Putty

Par , le (édité le 25/08/2014)

Ce qu'il te faut

  • Du Silly Putty
  • Un sac plastique transparent (un sac congélation par exemple)
  • Un marteau (à utiliser sur une surface plane et résistante uniquement)

Introduction

Le Silly Putty (un polymère) est un matériau très particulier qui est à la fois solide et liquide. C'est un matériau dit viscoélastique. Les expériences ci-dessous visent à montrer le comportement à la fois liquide (visqueux) et solide (élastique) du Silly Putty. Pour en savoir plus sur ce qu'est le Silly Putty et comment s'en procurer, vois le début de la page d'explications.

Thinking Putty
"Thinking Putty". Cette pâte bleue est à la fois liquide et solide !

Expériences

Comportement solide

  • Donne une forme de balle sphérique au Silly Putty et place-le dans le sac plastique. Le sac est là juste pour éviter que le Silly Putty s'envole en morceaux partout.

  • Pose le sac sur une surface plane et tape avec le marteau sur le Silly Putty. As-tu réussi à écraser le Silly Putty en une galette ? Normalement, non. Au contact avec le marteau, le Silly Putty ressemblait plutôt à un solide.

  • Tape maintenant très fort avec le marteau. Il est possible que tu arrives à casser le Silly Putty en petits morceaux, comme cela se passerait avec un solide.

Le Silly Putty est donc bien un solide. Si tu n'es pas convaincu, essaie cette dernière expérience: Fais une balle avec le Silly Putty et lance-la par terre. Elle rebondit comme une balle rebondissante. C'est donc un matériau élastique. Les matériaux tels que les balles rebondissantes sont des solides : bien qu'ils se déforment lorsqu'on leur applique une force dessus, ils retrouvent leur forme initiale quand la force est supprimée. En fait tous les solides sont élastiques, mais pas autant que du caoutchouc. Pour déformer un métal par exemple, il faut appliquer une force énorme, et le métal risque de casser en pratique avant d'être déformé de manière significative.


Comportement visqueux

Il y a plusieurs façons de montrer que le Silly Putty est visqueux. Une expérience possible est celle de l'entonnoir. Plus simplement, tu peux aussi essayer ceci :

  • Sculpte le Silly Putty pour lui donner la forme que tu veux.

  • Attends... au moins 20 minutes. Tu devrais voir le polymère s'écouler très lentement.

Dans le cas de cette expérience, le Silly Putty n'est pas solide car il coule comme un liquide (mais très lentement).

Silly Putty sculpté
Un morceau de Silly Putty sculpté se déforme et coule très lentement. De gauche à droite : juste après avoir sculpté le Silly Putty, après 8 min et après 30 min.

Visqueux et élastique en même temps ?

Dans les expériences précédentes, le polymère était soit visqueux, soit élastique. Mais peut-il être les deux à la fois ? La réponse est oui, et voilà comment le montrer :

  • Fais une balle avec le Silly Putty.

  • Tiens fermement la balle de deux côtés différents, un avec chaque main et étire le polymère. Si tu l'étires suffisamment rapidement, il va casser.

Si tu observes le point de cassure, tu peux voir des bords aigus qui montrent que le polymère s'est cassé comme un solide. Mais en même temps, tu étais en train de l'étirer, et après s'être cassé, les deux morceaux n'ont pas retrouvé une forme de demi-balle. Il s'est donc aussi comporté de manière visqueuse !

Silly Putty étiré
Silly Putty étiré lentement (gauche) et rapidement (droite). Dans l'image de droite, le polymère s'est à la fois étiré de manière irréversible comme un liquide, et cassé comme un solide.

Résumé des résultats expérimentaux

Toutes ces expériences peuvent paraitre un peu confuses : Comment savoir si le polymère va se comporter comme un liquide ou un solide ? C'est en fait une question d'échelle de temps de l'expérience. Plus précisément, quelle est la rapidité des déformations appliquées. Voici une table qui résume les résultats de cette page :

Tableau récapitulatif

Le Silly Putty se comporte donc comme un solide élastique à des échelles de temps courtes, mais il est liquide à des échelles de temps longues. Le seuil entre les deux comportements est de l'ordre de 1 s. Comme à l'échelle humaine il est possible de faire des expériences avec des temps caractéristiques plus grands et plus petits que ce seuil, il est facile d'obtenir les deux comportements solide et visqueux.


Explications

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