17/04/2013 Exercice 1 On maintient un organe dans des conditions de survie artificielle grâce à un circuit de perfusion actionné par une pompe. Le tuyau reliant la pompe à l’organe à une longueur totale de 2 mètres et un diamètre de 5 mm. Le débit de perfusion Q est égal à 0,06 L.min-1. La viscosité du sang est 7.10-3 Poiseuille, sa densité est peu différente de 1. a - Quelle est la valeur du débit ? ABCDE- mL.min-1. 60 0,01 L.s-1. 1 mL.s-1. 10-3 USI. 10-6 USI. ! UNITES ! 0,06 L.min-1 = 60 mL.min-1 = 0,06.10-3 m3.min-1 = 60.10-6 m3.min-1 = 1.10-3 L.s-1 = 1 mL.s-1 = 10-6 m3.s-1 = 10-6 USI 1 17/04/2013 Exercice 1 On maintient un organe dans des conditions de survie artificielle grâce à un circuit de perfusion actionné par une pompe. Le tuyau reliant la pompe à l’organe à une longueur totale de 2 mètres et un diamètre de 5 mm. Le débit de perfusion Q est égal à 0,06 L.min-1. La viscosité du sang est 7.10-3 Poiseuille, sa densité est peu différente de 1. b - Quelle est la surface approximative de la section du tuyau ? ABCDE- 20 USI. 20 mm2. 0,02 cm2. 2.10-6 m2. 2.10-5 m2. ! S= UNITES ! 80 3,14 .52 π D2 = ≈ 4 4 4 s≈ 20 mm2 ≈ 0,2 cm2 ≈ 20.10-6 m2 ≈ 20.10-6 USI ≈ 2.10-5 USI 1 mm = 10-3 m 2 17/04/2013 Exercice 1 On maintient un organe dans des conditions de survie artificielle grâce à un circuit de perfusion actionné par une pompe. Le tuyau reliant la pompe à l’organe à une longueur totale de 2 mètres et un diamètre de 5 mm. Le débit de perfusion Q est égal à 0,06 L.min-1. La viscosité du sang est 7.10-3 Poiseuille, sa densité est peu différente de 1. c - Si on suppose que la vitesse est uniforme, quelle est la valeur de la vitesse moyenne ? ABCDE- 2 cm.s-1. 0,2 m.s-1. 0,5 m.s-1. 5 cm.s-1. 50 cm.s-1. ! Q=Sv UNITES ! ⇒ v= Q = S 10-6 2.10-5 v = 0,05 USI = 0,05 m.s-1 = 5 cm.s-1 3 17/04/2013 Exercice 2 Un vaisseau sanguin a la forme et les dimensions suivantes : 3 2 Q = constante = S1.v1 = S2.v2 π D12 π D22 Q= . v1 = .v2 4 4 1 4 Diamètres en 1 = 4,5 mm en 2 = 3,0 mm en 3 = 1,5 mm en 4 = 2,25 mm La vitesse du fluide D1 D2 2 ( ) ⇒ v2 = v1 . D1 = 1,5 D2 en 1 = 2 cm.s-1 en 4 = 4 cm.s-1. ⇒ v2 = 2 . 1,52 Quelles sont les vitesses en 2 et 3 ? ⇒ v2 = 4,5 cm.s-1 4 17/04/2013 Exercice 2 Un vaisseau sanguin a la forme et les dimensions suivantes : 3 2 1 Q = S1.v1 = S2.v2 = S3.v3 + S4.v4 π D42 π D12 π D32 .v1 = .v3 + 4 .v4 4 4 D32 . v3 = D12 . v1 – D42 . v4 4 Diamètres en 1 = 4,5 mm en 2 = 3,0 mm en 3 = 1,5 mm en 4 = 2,25 mm La vitesse du fluide 2 D D ⇒ v3 = v1 . 1 - v4. 4 D3 D3 2 ( ) ( ) en 1 = 2 cm.s-1 en 4 = 4 cm.s-1. Quelles sont les vitesses en 2 et 3 ? D1 = 3 D3 D4 = 1,5 D3 ⇒ v3 = 2 . 9 – 4 . 2,25 ⇒ v3 = 9 cm.s-1 5 17/04/2013 Exercice 3 Soit un conduit où circule un fluide visqueux. A. Si le rayon du conduit est divisé par deux, la résistance à l'écoulement par unité de longueur du conduit est multipliée par 4. Loi de Poiseuille : Q = B. Si le rayon du conduit est divisé par deux, la résistance à l'écoulement par unité de longueur du conduit est multipliée par 16. 8ηl R= π r4 C. Si la surface du conduit est divisée par deux, la résistance à l'écoulement par unité de longueur du conduit est multipliée par 4. πr4 8η η x ∆P ∆x ∆P = RQ [ r 2 ] 4 8ηπl 8ηl = = S2 S r2 [ S 2 ] 2 S = π r2 D. Si la surface du conduit est divisée par deux, la résistance à l'écoulement par unité de longueur du conduit est multipliée par 16. UE3A : corrigé ED1_2011-2012 6 17/04/2013 Exercice 4 Un fluide parfait incompressible s’écoule d’un orifice circulaire situé sur le côté d’un réservoir avec un débit Q = 0,4 L.s-1. Le diamètre de l’orifice est D = 10 mm. Q=S.v ⇒v= 1) Déterminer la vitesse d’écoulement au niveau de l’orifice. 4Q Q = π D2 S 4 . 4 10-4 16 = ⇒v= π (10-2)2 3 ⇒ v ≈ 5 m.s-1 7 17/04/2013 Exercice 4 2) A quelle distance de la surface libre se trouve l’orifice ? P1 + ρ g z1 + 1 ρ v12 2 = Un fluide parfait incompressible s’écoule d’un orifice circulaire situé sur le côté d’un réservoir avec un débit Q = 0,4 L.s-1. Le diamètre de l’orifice est D = 10 mm. P2 + ρ g z2 + v1 = 0 1 ρ v22 2 P1 = P2 = Patm D’où ρ g z2 + 1 ρ v22 = ρ g z1 2 1 2 g (z1 – z2) = v22 z1 – z2 = h 2 v22 52 h= = 1,25 m = 2g 2 . 10 8 17/04/2013 Exercice 5 Pour mesurer la viscosité d'une huile, on utilise le dispositif schématisé ci-dessous. Loi de Poiseuille : Q = πr4 8η η x ∆P ∆x L ∆P = ρ g h = ∆h ⇒ η= p1 p2 Le tube horizontal a 8,0 mm de diamètre et comporte deux tubes manométriques verticaux situés à L = 600 mm de l'un de l'autre. Le débit dans le tube est égal à 4,0×10−6 m3.s-1. La différence de niveau de l'huile dans les deux tubes verticaux est alors ∆h = 300 mm. La masse volumique de l'huile est de 900 kg.m-3. On suppose que l'écoulement est de type laminaire. On prendra g = 10 m.s-2 et π = 3. Calculer la viscosité de l'huile. 8ηQL π r4 ρ g h π r4 ρ g h π D4 = 8QL 8 Q L 24 32.102 . 10 . 3.10-1 . 3 . (23)4.(10-3)4 23 . 22.10-6 . 2.3.10-1 . 24 = = 34. 212 . 10-10 3 . 210 . 10-7 = 33. 22 .10-3 ⇒ η = 108.10-3 Pa.s ⇒ η = 1,08.10-1 Pa.s 9 17/04/2013 Exercice 5 Pour mesurer la viscosité d'une huile, on utilise le dispositif schématisé ci-dessous. NR = 2 ρ v r η-1 L ∆h v= p1 22.10-6 1 Q = = 4 -6 π . 2 . 10 3 . 22 S p2 Le tube horizontal a 8,0 mm de diamètre et comporte deux tubes manométriques verticaux situés à L = 600 mm de l'un de l'autre. Le débit dans le tube est égal à 4,0×10−6 m3.s-1. La différence de niveau de l'huile dans les deux tubes verticaux est alors ∆h = 300 mm. La masse volumique de l'huile est de 900 kg.m-3. On suppose que l'écoulement est de type laminaire. On prendra g = 10 m.s-2 et π = 3. 2- Calculer le nombre de Reynolds de cet écoulement. NR = 2 . 32.102 . 22.10-3 22.33.10-3. 3 . 22 = 23 . 32.10-1 24.34 . 10-3 NR ≈ 5 10 17/04/2013 Exercice 6 La pression au niveau de l'artère pulmonaire est Pap = 12 mm Hg. La pression au niveau de l'oreillette gauche est Pog = 8 mm Hg. On prendra 1mm Hg = 120 Pa a - Si le débit Q dans l'artère est égal à 180 mL.min-1, ….. A - ∆P / Q = R. B - R = 1,2.106 Pa.s.m-3. C - R = 1,2 Pa.s.m-3. D - R = 1,6.108 Pa.s.m-3. E - R = 1,6.105 Pa.s.m-3. AP POUMONS OG ∆P = Q . R 180 mL.min-1 = 3 mL.s-1 = 3.10-6 m3.s-1 R= ∆P Q = (12 – 8). 120 4.4.3.101 = 3.10-6 3.10-6 R = 16 . 107 USI = 1,6 . 108 Pa.s.m-3 1 mL = 10-3 L 1 m3 = 103 L 11 17/04/2013 Exercice 6 La pression au niveau de l'artère pulmonaire est Pap = 12 mm Hg. La pression au niveau de l'oreillette gauche est Pog = 8 mm Hg. On prendra 1mm Hg = 120 Pa b - A la suite d'un problème vasculaire, Pap = 16 mm Hg. Si le débit et la Pog restent constants, ….. A - La résistance mécanique est multipliée par 2. B - La résistance mécanique est multipliée par 16. C - La résistance mécanique est divisée par 2. D - La résistance mécanique est divisée par 16. E - Aucune des propositions ci-dessus. R= ∆P Q ∆P = 16 – 8 = 8, ∆P est multiplié par 2. Q restant constant, si on multiplie ∆P par 2, R est multiplié par 2. 12 17/04/2013 Exercice 6 La pression au niveau de l'artère pulmonaire est Pap = 12 mm Hg. La pression au niveau de l'oreillette gauche est Pog = 8 mm Hg. On prendra 1mm Hg = 120 Pa c - A la suite d'un problème vasculaire Pap = 16 mm Hg et la Pog reste constante. On veut que la résistance mécanique reste constante. Cela implique que…… A - le débit doit être divisé par 2. B - le débit doit être divisé par 16. C - le débit doit être multiplié par 2. D - le débit doit être multiplié par 16. E - Aucune des propositions ci-dessus. Q= ∆P R ∆P = 16 – 8 = 8, ∆P est multiplié par 2. R restant constante, si on multiplie ∆P par 2, Q est multiplié par 2. 13 17/04/2013 Exercice 6 La pression au niveau de l'artère pulmonaire est Pap = 12 mm Hg. La pression au niveau de l'oreillette gauche est Pog = 8 mm Hg. On prendra 1mm Hg = 120 Pa d - A la suite d'un problème cardiaque la Pog passe à 10 mm Hg. Si la Pap reste égale à 12 mm Hg et si le débit reste constant, calculer la perte de charge et la résistance à l'écoulement. R= ∆P Q ∆P = 12 – 10 = 2 mm Hg ∆P = 240 Pa Q reste constant ET ∆P est divisée par 2 R = 1,6 . 108 Pa.s.m-3 ⇒ R est divisée par 2. R= 1,6 . 108 2 = 8 . 107 Pa.s.m-3 14 17/04/2013 Exercice 7 Soit le rétrécissement cylindrique suivant, intervenant dans une conduite cylindrique où circule de l'eau considérée comme un liquide réel. r1 r2 Sens de l'écoulement L'unité de ∆P peut être des N.m-2 ? oui ρv2 ρ en M.L-3 v2 en L2.T-2 -1 -2 en M.L .T ⇒ c'est une pression. pression = force par unité de surface. Dans ce cas précis, la perte de charge par N est une unité de force. unité de longueur peut être calculée par la formule simplifiée suivante : ∆P n= 0,5 ρ vn2 où vn est la vitesse moyenne du liquide ∆P est inférieure à 300 Joules ? dans la section du conduit considérée. On donne : − r1 = 2r2 et − v1 = 75 cm.s-1, v2 étant la vitesse non moyenne au niveau du rétrécissement, 3 -3 − ρeau = 10 kg.m - 1 calorie = 4 J = énergie à communiquer à ∆P est une pression. 1 g d'eau pour élever sa température d'un Le Joule n'est pas une unité de pression. degré Celsius. On s'intéresse à la perte de charge dans le rétrécissement. 15 17/04/2013 Exercice 7 Soit le rétrécissement cylindrique suivant, intervenant dans une conduite cylindrique où circule de l'eau considérée comme un liquide réel. r1 r2 ∆P est supérieure à 60 calories.m-3? oui M.L-1.T-2 M.L2.T-2 Pression Energie Sens de l'écoulement Dans ce cas précis, la perte de charge par unité de longueur peut être calculée par la formule simplifiée suivante : ∆P n= 500 vn2 où vn est la vitesse moyenne du liquide dans la section du conduit considérée. On donne : − r1 = 2r2 et − v1 = 75 cm.s-1, v2 étant la vitesse moyenne au niveau du rétrécissement, − ρeau = 103 kg.m-3 - 1 calorie = 4 J = énergie à communiquer à 1 g d'eau pour élever sa température d'un degré Celsius. On s'intéresse à la perte de charge dans le rétrécissement. M.L-1.T-2 = M.L2.T-2 L3 Pression = Energie par unité de volume. calories.m-3 est une unité de pression Vn = V2 ? Q = S . v = constante ⇒ v1r12 = v2r22 2 ( ) .v = 4 . 0,75 = 3 m.s ⇒v2 = r1 r2 1 -1 ⇒∆ ∆P = 500.9 = 4500 J.m-3 = 1125 cal.m-3 Pression = force / S Pression = force x longueur / S x longueur 16 17/04/2013 Exercice 7 Soit le rétrécissement cylindrique suivant, intervenant dans une conduite cylindrique où circule de l'eau considérée comme un liquide réel. r1 r2 Sens de l'écoulement Dans ce cas précis, la perte de charge par unité de longueur peut être calculée par la formule simplifiée suivante : ∆P n= 500 vn2 où vn est la vitesse moyenne du liquide dans la section du conduit considérée. On donne : − r1 = 2r2 et − v1 = 75 cm.s-1, v2 étant la vitesse moyenne au niveau du rétrécissement, − ρeau = 103 kg.m-3 - 1 calorie = 4 J = énergie à communiquer à 1 g d'eau pour élever sa température d'un degré Celsius. On s'intéresse à la perte de charge dans le rétrécissement. L'abaissement de température de l'eau circulante correspondant à ∆P est inférieur à un dix millième de degré Celsius ? NON Il y a élévation de la température 17 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. a - Quelle est la section de cette artère ? S= 3 . (4.10-3)2 π D2 = 4 4 S = 12.10-6 m2 = 12 mm2 18 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. b - Si on appelle v la vitesse moyenne du sang, quelle(s) est (sont) la (les) proposition(s) exacte(s) ? A-S=Q.v B-v=S.Q C-Q = S . v D- Q=v/S E-v=Q/S 19 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. c - Quelle est la vitesse moyenne du sang ? Q = 180 mL.min-1 = 0,18 L. min-1 = 3.10-3 L. s-1 = 3.10-6 m3. s-1 Q=S.v v= Q S = 3.10-6 12. 10-6 = 0,25 m.s –1 = 25 cm.s -1 20 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. d - Quelle est la valeur approximative de la résistance vasculaire de ce segment d’artère ? 8ηl 8. 6.10-3 .10-1 R= = 3. (2.10-3)4 π r4 R= 23. 2.3 -3-1+12 10 3. 24 R = 108 Pa.s.m-3 21 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. e - Soit Ts la tension superficielle de la paroi de cette artère et P la pression artérielle moyenne. Quelle(s) est (sont) la (les) relation(s) exacte(s) ? A - Ts = 2 P / D B - Ts = P.D / 2 C - P = Ts D D - P = 2 Ts D E - P = 2 Ts / D Ts = P . r 22 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. f - Si P = 60 mm Hg, quel est l’ordre de grandeur de Ts ? Ts = P . D 2 P en ML-1T-2 D en L Ts = P . D 2 = 6.10. 120 . 4.10-3 2 Ts = 12 . 12 . 10-1 ≈ 14 Pa.m 23 17/04/2013 Exercice 8 Soit un segment d’artère mixte, supposé horizontal, de diamètre constant D = 4 mm, de longueur l = 10 cm. Le débit sanguin Q est égal à 180 mL.min-1, la viscosité du sang est de 6 centipoises (1 poise = 0,1 Pa.s), la densité du sang est environ égale à 1. L’écoulement est laminaire. Pour simplifier les calculs, on prendra : π = 3 et 1mm Hg = 120 Pa. g - Calculer Re le nombre de Reynolds. Concluer sur le type d'écoulement dans ce conduit. Re = ρ vm D ρ Q D = η η S Re = 4ρQD 4 ρ Q = η π D2 π D η Re = 4.103 . 3.10-6 103 = 3 . 4.10-3 . 6.10-3 6 Re ≈ 166 Régime laminaire 24 17/04/2013 Exercice 9 La rétine est irriguée par l'artère ophtalmique. Cette artère naît de l'artère carotide (point A) qui elle-même prend naissance au voisinage du ventricule gauche (point B). Le segment AB de l'artère carotide a pour dimensions : 8 mm de diamètre, 400 mm de longueur. Viscosité du sang : 4 . 10-3 Pa.s Masse volumique du sang : 103 kg . m-3 Débit de l'artère carotide : 8 . 10-6 m3 .s-1 Accélération de la pesanteur g : 10 m.s-2 a - Calculer la résistance à l’écoulement du segment AB en unité MKSA. oeil A R= R= R= ∆P Q = 8ηl π r4 8ηl 23. 22.10-3 . 22.10-1 = 3. (22.10-3)4 π r4 27 . 10-4 1 . 108 = 3. 28 .10-12 6 R ≈ 17 . 106 Pa . s . m-3 B 25 17/04/2013 Exercice 9 La rétine est irriguée par l'artère ophtalmique. Cette artère naît de l'artère carotide (point A) qui elle-même prend naissance au voisinage du ventricule gauche (point B). Le segment AB de l'artère carotide a pour dimensions : 8 mm de diamètre, 400 mm de longueur. Viscosité du sang : 4 . 10-3 Pa.s Masse volumique du sang : 103 kg . m-3 Débit de l'artère carotide : 8 . 10-6 m3 .s-1 Accélération de la pesanteur g : 10 m.s-2 b - Calculer la perte de charge due à l'écoulement entre A et B, ainsi que la variation de pression due à la pesanteur entre A et B. oeil ∆P = R . Q = 17 . 106 . 8 . 10-6 ∆P = 136 Pa P = ρ g h = 103 . 10 . 4.10-1 P = 4.103 Pa A B 26 17/04/2013 Exercice 9 La rétine est irriguée par l'artère ophtalmique. Cette artère naît de l'artère carotide (point A) qui elle-même prend naissance au voisinage du ventricule gauche (point B). Le segment AB de l'artère carotide a pour dimensions : 8 mm de diamètre, 400 mm de longueur. Viscosité du sang : 4 . 10-3 Pa.s Masse volumique du sang : 103 kg . m-3 Débit de l'artère carotide : 8 . 10-6 m3 .s-1 Accélération de la pesanteur g : 10 m.s-2 c - Un pilote de chasse peut être soumis au décollage à une accélération de 4 g. Que devient la pression dans l'artère ophtalmique ? On considère que la pression moyenne de l'aorte est de 17 kPa. oeil Po = ρ g h = 103 . 4.10 . 4.10-1 Po = 16.103 Pa P = 17 – 16 = 1 kPa A B 27 17/04/2013 Exercice 10 Quel sera le rayon des 4 capillaires résultant de la division d'une artériole de 1 mm de rayon pour que la résistance à l'écoulement Ra de l'artériole soit égale à la résistance totale à l'écoulement dans les capillaires Rc, sachant que la longueur de l'artériole et celles des capillaires sont les mêmes? Ra = 8ηl π ra4 ET Rc = 8ηl π rc4 Ra = Rc-tot 4 1 = Rc Ra ⇒ ⇒ π ra4 4π rc4 = 8ηl 8ηl ra4 = 4 rc4 ⇒ra2 = 2 rc2 ⇒ ra = √2 rc rc = ra √2 = 1 = 0,7 mm 1,4 28 17/04/2013 Exercice 11 Une artère de rayon r se ramifie en quatre artérioles de rayon r/3. Si la vitesse dans l’artère est de 10 cm.s-1, quelle est la vitesse dans chacune des artérioles ? On supposera que le régime d’écoulement est et reste laminaire dans chacun des vaisseaux. Q = S . v = constante 4 . Qartériole = Qartère 4 x Sartériole . vartériole = Sartère. vartère π . (rartère)2 . vartère vartériole = 4 . π . (rartériole)2 vartériole = (rartère)2 x vartère 4x ( 9 . vartère vartériole = 4 rartère 2 ) 3 vartériole = 22,5 cm.s-1 29 17/04/2013 Exercice 12 Dans le cas d'un écoulement laminaire d'un liquide visqueux en régime permanent, on considère trois résistances hydrauliques en parallèle R1, R2 et R3. Qentrée = Qsortie = Q1 + Q2 + Q3 ∆P = Q . R = Q1 . R1 = Q2 . R2 = Q3 . R3 R1 Entrée R2 Sortie 1 1 1 1 = R +R +R R 1 2 3 R3 Soient : - ∆P, la différence de pression hydrostatique entre l'entrée et la sortie, - Qentrée, Q1, Q2 et Q3 les débits correspondants, - R, la résistance équivalente. R R + R1R3 + R1R2 1 = 2 3 R1R2R3 R A - R1 Q1 = R2 Q2 = R3 Q3 = R Qentrée B- R= R1 . R2 . R3 R1R2 + R2R3 + R1R3 C- R = R1 + R2 + R3 D- Qentrée = R . ∆P R= R1R2R3 R2R3 + R1R3 + R1R2 30