Biophysique du Milieu Intérieur - 1ère Année Médecine (2024/2025) - PDF

Module : Biophysique Session d’enseignement : 1ère semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ère année Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Biophysique du milieu intérieur Introduction générale Grandeurs et incertitudes des mesures physiques Les états de la mat...

Module : Biophysique Session d’enseignement : 1ère semestre Année universitaire : 2024 / 2025 1ère année Médecine Pr. Essendoubi Mohammed  Biophysique du milieu intérieur Introduction générale Grandeurs et incertitudes des mesures physiques Les états de la matières L’eau et les solutions L’état gazeux Force de frottement et viscosité  Introduction  La force de viscosité (Fv)  Les facteurs influant sur η  Les liquides pur / gaz  Les solutions  Solution à bas PM  Solution à haut PM et suspension  La viscosité sanguine :  Le sang  Le plasma  Fluides Newtoniens et non Newtoniens  Introduction  C’est une grandeur physique qui caractérise les frottements internes du fluide  Capacité à s’écouler  Les fluides de grande viscosité résistent à l'écoulement  Les fluides de faible viscosité s'écoulent facilement Viscosité (η) - Le fluide est dit parfait ou idéal, il s’écoule sans frottement. - Le fluide est dit réel, il s’écoule avec frottement  La force de viscosité (Fv) F = η S (dv/d x) Fv S η coefficient de viscosité S surface de la lame dv/dx gradient de vitesse = taux de cisaillement η = F dx / S dv N m / m2 (m/s) Dim [η] = MLT-2 L/ L2 LT-1 = M L-1T-1 Kg / m s = Poiseuille = (Pa s) 1 Poiseuille = 10 Poise Fv est proportionnelle à la surface et au gradient de vitesse dv/dx 1 Pa s = 10 Poise Inversement proportionnelle à dx et dépend à la viscosité du fluide η ηr coefficient de viscosité relatif: ηr = η/ η eau (sans unité)  Les facteurs influant sur η:  Les liquides pur / gaz  Composition moléculaire,  Température (T augmente η diminue)  Les solutions:  Solution avec des molécules à bas PM (ions)  Nature du solvant et des solutés  Concentration des solutés  Température  Solution avec des molécules à haut PM (macromolécules) et suspension Ex : plasma riche en macromolécule (Albumine) / Le sang : globules rouges en suspension  η = η0 (1+k Φ) η de la solution des macromolécules à haut PM ou de la suspensions η0 du solvant Φ le volume relatif = volume macromolécules (ou particule) / volume totale de la solution (ou de la suspension) K = 2,5 pour les particules sphérique «GR» k augmente avec les dissymétrie K > 1000 pour les macromolécules de forme linéaire  La viscosité sanguine : η= η0(1+k Φ) Le sang: Le sang = Plasma (solvant) + globules rouges (cellules en suspension) ηsang= ηplasma(1+k Φ) ηsang= ηplasma(1+2,6 Hte) Φ = volume des particules (GR) / volume de la suspensions (Sang) = Hématocrite Hte Forme sphérique des GR  K= 2,6  ηsang augmente quand ηplasma augmente et Hte augmente Le plasma ηplasma= ηeau(1+k Φ) Le plasma = Eau (solvant) + Macromolécules HPM (protéines) η0= ηeau avec KΦ plasma volume relatif des macromolécules plasmatiques (K1 Φ 1 + K2 Φ 2 + K3 Φ 3 …..) La viscosité du plasma est due aux macromolécules  Fluides Newtoniens et non Newtoniens  Sang est un fluide non Newtonien V faible V élevé Formation des agrégation Faible viscosité augmentation de la viscosité La viscosité augmente quand la vitesse de l’écoulement diminue non Newtonien  Biophysique du milieu intérieur I- Introduction générale II- Grandeurs et incertitudes des mesures physiques III- Les états de la matières IV- L’eau et les solutions V- L’état gazeux VI- Les aspects énergétique de déplacement de la matière VII- Force de frottement et viscosité VIII-Les mouvements de convection des fluides  Introduction  Le Débit  Le débit dans un tube avec une section S qui change  Le débit dans un tube à ramification  Fluide de viscosité négligeable  Théorème de Bernoulli  Retombées du théorème de Bernoulli  Principe de la statique des fluides  Quand la section à un diamètre variable  Les régimes d’écoulement  Fluide de viscosité non négligeable  Le nombre de Reynolds (Re)  Influence du nombre (Re) sur le régime de l’écoulement  Ecoulement laminaire pour un fluide de viscosité non négligeable  Loi expérimentale de Poiseuille  Résistance à l’écoulement dans un conduit en série ou parallèle  Applications et conséquences sur l’hémodynamique  La pression artérielle  Mesure de la pression sanguine (Ps) en fonction de la position  La perfusion  La résistance vasculaire à l’écoulement  Introduction Les mouvements de convection des fluides:  Les mouvements de convection sont l'ensemble des mouvements internes générés dans une masse fluide.  La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de matière dans le milieu. Le débit des fluides:  La quantité de fluide qui traverse une section pendant une unité de temps.  La quantité peut s’exprimer soit par le volume, soit par la masse (ou le poids). Le débit volumique (débit-volume) Le débit massique (débit-masse)  Débit Le débit en volume (D) = le volume de fluide dV qui traverse une section (S) d’une canalisation pendant dt. D = dV/dt (m3/s) D=Sv S (avec v vitesse et S section)  Le débit dans un tube avec une section (S) qui change Vitesse faible Vitesse élevée Le débit ne change pas, même débit à l’entrée et à la sortie du tube (S v = constante)  Vitesse augmente à la sortie La Vitesse augmente quand (S) diminue  Le débit dans un tube à ramification Débit dans une ramification D1 dV1 D = dV/dt dV= dV1 + dV2 D dV D canal principale = ∑ Di ramification D = dV1 + dV2 / dt D2 dV2 D = D1 + D2  Fluide de viscosité négligeable  Théorème de Bernoulli Principe de conservation de l’énergie Et(a) = Et(b) L’énergie total d’un fluide (Et) = énergie cinétique + énergie potentielle de pesanteur + énergie de pression Et = Ec + Epp + Ep  Et = 1/2 m v2 + mgh + PV Le principe de Bernoulli : Et = 1/2 m v2 + mgh + PV = Constante V = une constante également Donc Et /V = Cte Et/V = (1/2 m v2)/V + (mgh)/V + (PV)/V= Constante (m/V = ρ masse volumique) 1/2 ρv2 + ρgh + P = Constante Et (a) = Et (b)  1/2 ρ va2 + ρ gha + Pa = 1/2 ρ vb2 + ρ ghb + Pb Et (a) – Et (b) = 0  1/2 ρ (va2- vb2) + ρ g (ha – hb) + (Pa – Pb) = 0  Retombées du théorème de Bernoulli  Principe de la statique des fluide: Fluide avec v =0 1/2 ρ v2 + ρ gh + P = Cst  ρ gh + P = cst Entre deux point (a) et (b) : ρgha + Pa = ρghb + Pb  ρg(ha – hb) = Pb – Pa  ∆P = - ρg ∆h si ∆h augmente ∆P diminue Loi Pascal La pression est la même en tout point La différence de pression entre 2 point est de même profondeur (ou altitude) proportionnelle à leur différence de hauteur.  Quand la section à un diamètre variable P+++ Si h = cst 1/2 ρ v2 + ρ gh + P= cst P+ S augmente v diminue et P augmente S diminue v augmente et P diminue La pression diminue et la vitesse augmente dans les rétrécissements des canaux.  Les régimes d’écoulement Vecteurs de vitesse parallèles Ecoulement brouillant Ecoulement silencieux Perte en E importante Perte en E négligeable  Fluide de viscosité non négligeable  Le nombre de Reynolds (Re) Identification du régime de l’écoulement laminaire ou turbulent Re = ρ v r/η rayon (sans unité)  Influence du nombre de Reynolds (Re) sur le régime de l’écoulement 1000 1500  Ecoulement laminaire pour un fluide de viscosité non négligeable L (h) et (S) sont constants  Epp et Ec sont constantes P la pression latérale varie pour compenser la perte de charge sous forme de chaleur. P1 P2 P3 Vérifiant la loi Bernoulli: Et = → D’après la loi de Poiseuille la pression latérale P compense la perte de charge.  Loi expérimentale de Poiseuille P3