De la déformation du jaune d’œuf à celle du cerveau

On observe souvent dans la nature de la matière molle en suspension dans un liquide. Par exemple, la matière cérébrale baignant dans le liquide cérébrospinal contenu dans le crâne ou un jaune d’œuf flottant dans le blanc à l’intérieur de sa coquille.

Il est intéressant de savoir quelle sera la déformation de la matière molle quand on met en mouvement le récipient (la coquille dans le cas de l’ œuf) contenant le liquide où elle est en suspension. Pour étudier cela, des chercheurs de la Villanova University, Villanova, Pensylvania, USA ont monté une expérience pour comprendre comment la physique des fluides gouverne le mouvement et la déformation de la matière molle dans un environnement liquide, en utilisant comme modèle un jaune d’œuf.

Les montages expérimentaux

Pour déformer ou endommager un jaune d’œuf en suspension dans un liquide, il faut lui appliquer très rapidement une secousse ou une rotation.pour cela, les chercheurs ont conçu les deux appareillages représentés sur la Fig.1. ci-dessous :

Fig.1. Les montages expérimentaux A) Montage pour choc par translation. Le marteau (c) glisse le long du rail guide (b) et heurte le récipient (a) reposant sur la base élastique (d). L'accélération est mesurée par l'accéléromètre et les données collectées par le module(f). B) Montage pour choc rotationnel. Le moteur électrique (g) entraîne la rotation du récipient (a). Tiré de How to deform an egg yolk? On the study of soft matter deformation in a liquid environment Ji Lang, Rungun Nathan and Qianhong Wu Phys. Fluids 33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

Fig.1. Les montages expérimentaux
A) Montage pour choc par translation. Le marteau (c) glisse le long du rail guide (b) et heurte le récipient (a) reposant sur la base élastique (d). L’accélération est mesurée par l’accéléromètre et les données collectées par le module(f).
B) Montage pour choc rotationnel. Le moteur électrique (g) entraîne la rotation du récipient (a) autour d’un axe horizontal.
Tiré de How to deform an egg yolk? On the study of soft
matter deformation in a liquid environment
Ji Lang, Rungun Nathan and Qianhong Wu
Phys. Fluids 33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

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Avec cet appareillage on obtient les résultats suivants pour un jaune d’œuf en suspension dans son blanc placé dans un récipient transparent en guise de coquille (Fig.2 )

– Pour des chocs en translation avec une accélération supérieure à 600 g (g = 9,8 m/s2), on n’obtient presque pas de déformation du jaune d’œuf (Fig.2 A). Ce résultat contredit l’intuition qui voudrait que ces chocs endommagent le jaune d’œuf. Ceci s’explique par le fait que le jaune et le blanc sont des liquides incompressibles de densités très proches ; on n’observe pas de mouvement relatif, le récipient entier se déplace comme un corps rigide.

– Avec des impulsions de rotation, il en est tout autrement :

1-dans le choc rotationnel en accélération le récipient passe en 1s de 0 à 400 rad/s ( 3800 t/min), vitesse de rotation qui est maintenue ensuite constante un certain temps. On voit (Fig.2.B) que le jaune d’œuf se déforme à partir de sa forme sphérique en étant légèrement comprimé et ensuite étiré horizontalement. Au bout de 2s, il est devenu un ellipsoïde qui garde sa forme à vitesse de rotation constante.

 

2- on réduit alors la vitesse de rotation depuis l’état stable précédemment atteint de 400 rad/s à 0 rad/s en 1s, ce qui crée un choc de décélération. Le jaune d’œuf subit alors une déformation significative dès le début de la décélération (Fig.2. C). Durant celle-ci, le jaune se déforme très fortement, se comprimant horizontalement et se gonflant radialement dans sa région centrale. Cette forte déformation peut causer de sévères dégâts au jaune d’œuf.

A la fin de l’expérience, quand on arrête la rotation, le jaune d’œuf déformé reprend en une minute environ sa forme sphérique primitive.

Fig.2. Chocs de translation et rotation sur un jaune d'œuf A) Réactions du jaune d'œuf à une accélération de translation de 600g. g = 9,8 m/s2 B) Réactions du jaune d'œuf à une accélération de rotation. Le récipient est passé en 1s de 0 à 400 rad/s après quoi on a maintenu cette vitesse constante. C) Réactions du jaune d'œuf à une décélération de rotation. La vitesse de rotation du récipient passe de 400rad/s (≈ 3800 t/min) à 0 en 1s et crée ainsi un choc de décélération sur le jaune d'œuf. Tiré de How to deform an egg yolk? On the study of soft matter deformation in a liquid environment Ji Lang, Rungun Nathan and Qianhong Wu Phys. Fluids 33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

Fig.2. Chocs de translation et rotation sur un jaune d’œuf
A) Réactions du jaune d’œuf à une accélération de translation
de 600g. g = 9,8 m/s2
B) Réactions du jaune d’œuf à une accélération de rotation. Le récipient est passé en 1s de 0 à 400 rad/s après quoi on a
maintenu cette vitesse constante.
C) Réactions du jaune d’œuf à une décélération de rotation. La
vitesse de rotation du récipient passe de 400rad/s (≈ 3800 t/min)
à 0 en 1s et crée ainsi un choc de décélération sur le jaune d’œuf.
Tiré de How to deform an egg yolk? On the study of soft matter
deformation in a liquid environment
Ji Lang, Rungun Nathan and Qianhong Wu
Phys. Fluids 33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

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Les deux vidéos suivantes prises avec une caméra rapide correspondent aux 2 phases A et C de la figure 2.

A) réponse du jaune d’œuf à une accélération de translation

 

C)  réponse du jaune d’œuf à une décélération de rotation

Vidéos tirées  de How to deform an egg yolk? On the study
of soft matter deformation in a liquid environment
Ji Lang,
Rungun Nathan and Qianhong Wu
Phys. Fluids
33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

 

 

Ces expériences indiquent nettement que le jaune d’œuf est peu sensible aux chocs en translation mais qu’il l’est énormément aux chocs rotationnels et surtout à ceux-ci en décélération. Les chercheurs ont proposé un modèle théorique qui rend bien compte de leurs observations à partir des caractéristiques du fluide et de la matière mis en jeu.

 

Ces résultats permettent de mieux comprendre la réaction aux chocs d’un objet mou plongé dans un liquide.
Le cerveau est une matière extrêmement molle baignant dans le liquide cérébro-spinal. D’après les résultats précédents, on peut inférer que ce sont les chocs de rotation, en particulier dans la phase de décélération, qui sont les plus dangereux pour la substance cérébrale. Ceci explique pourquoi un coup au menton peut faire perdre connaissance à un boxeur. Le menton étant le point le plus éloigné du cou, ce coup peut causer une accélération rotationnelle de la tête qui sera ensuite forcément suivie d’une décélération.

 

 

Pour en savoir plus :

How to deform an egg yolk? On the study of soft matter
deformation in a liquid environment
Ji Lang, Rungun Nathan and Qianhong Wu
Phys. Fluids 33, 011903 (2021); Online: 19 January 2021

 

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