Introduction


La Maïzena est un aliment utilisé dans notre vie quotidienne qui nous sert généralement pour cuisiner. Elle est constituée de l'amande du grain de maïs réduite en farine, appelée amidon.
Ici nous avons décidé de nous intéresser à la maïzena d'une autre manière. Il se trouve que celle-ci mélangée à l'eau produit un phénomène particulier. Si on applique une grande force sur le mélange, il apparaît une résistance et parait solide, au contraire si on applique une force moindre (ici un doigt enfoncé doucement), le mélange paraîtra liquide. Nous allons donc nous demander pourquoi le mélange eau-maïzena réagit différemment selon la pression qu'on lui applique.

Nous allons détailler notre raisonnement en cinq axes :

Sommaire


I. Quelles sont les conditions propices à l'apparition du phénomène ?
II. Peut-on quantifier ce phénomène ?
III. Peut-on nommer ce phénomène ?
IV. Le phénomène se produit t-il avec des substances comparables à la maïzena ?
V. Peut-on expliquer ce phénomène ?


I. Quelles sont les conditions propices à l'apparition du phénomène ?


Nous allons définir la concentration d'eau et de maïzena nécessaire à l'apparition du phénomène dans cette expérience :

Celle-ci nous a donnés les résultats suivants :

Concentration de maïzena en g.ml-1
Présence
Absence
Phénomène observé
0,2

X
S’apparente à la résistance de l’eau

0,6

X
S’apparente à la résistance de l’eau

0,71

X
S’apparente à la résistance de l’eau

1

X
Un peu plus de résistance est observée ici, mais le mélange reste possible

1,125
X

Résistance du mélange lorsque l’on applique une force, le mélange parait solide. Si on met le doigt doucement, il s’enfonce. Le mélange parait liquide. C’est le phénomène que nous recherchons.

1,5
X

Limite de la saturation, on ne peut presque plus mélanger

2

X
La saturation est atteinte, la maïzena ne se dissout plus dans l’eau, ça reste de la farine.


II. Peut-on quantifier ce phénomène ?


Découverte d'un nouveau domaine: la Rhéologie

Nous allons utiliser, pour quantifier ce phénomène, un domaine de la physique dévolu à l'étude des fluides, la Rhéologie, dont les principes généraux sont détaillés ci contre : 

Application dans notre cas

N'ayant pas à notre disposition les instruments nécessaires pour reproduire le protocole évoqué dans les notions (mesure de la force...), nous avons essayé de l'adapter avec les outils présents au lycée dans l'expérience ci-dessous:

Or, cette expérience ne convenant pas pour diverses raisons, nous avons mis en place un second protocole:

Celui-ci a donné les résultats suivants:

m (en grammes)
T (en secondes)
1/t
500
0
-
1200
89,89
0,0111
1500
48,95
0,0204
3000
33,11
0,0302
3500
31,63
0,0316


Considérant que dans cette expérience:
  • σ = F / S  =  m*g /S, où g (=9,8 N.kg-1) et S (dimensions de la seringue) étant constants, m et σ sont proportionnels
  • γ̇ = V / H = d/t /H = d*H /t, où d et H, correspondants aux dimensions de la seringue, étant constants, γ̇ et 1/t sont proportionnels
On peut donc considérer que la relation m = f(1/t) est utilisable ici pour représenter σ = f(γ̇ ).

En représentant cette relation sous forme de graphique grâce au logiciel GeoGebra, on obtient la courbe suivante:

III. Peut-on nommer ce phénomène ?


L'allure de la courbe présentée précédemment peut nous permettre de classer le mélange eau-maïzena dans une des catégories de fluides établies au cours de l'Histoire par les scientifiques:

On remarque que la viscosité n'est pas constante (la courbe n'a pas un caractère linéaire): le mélange eau-Maïzena n'est pas un fluide newtonien
On remarque que la viscosité augmente avec la contrainte: le mélange eau-Maïzena est un fluide rhéoépaississant.

Ce fluide ne vérifiant pas l'équation newtonienne σ=ηγ̇ (dans notre cas simplifié m = a(1/t), nous avons essayé de modéliser sa courbe avec GeoGebra au moyen de la loi d'Ostwald-de Waele, σ = Kγ̇ n (dans notre cas simplifié m= a(1/t)b ).
Pour ce faire nous avons créé la courbe correspondant à y= axb, que nous avons fait correspondre à nos valeurs expérimentales en variant les valeurs de a et b avec l'aide de notre professeur de mathématiques.
Nous avons obtenu la courbe suivante:

Pour faire correspondre la courbe avec les points, nous avons dû multiplier le taux de cisaillement par 103 et mettre m en kilogrammes. Ceci n'étant que des multiplications, les grandeurs restent proportionnelles et n'affectent pas la position des points.

Nous avons obtenu:  a = 0,33.103 et b = 2
b>1, ce qui confirme que le mélange eau-maïzena est un fluide rhéoépaississant

IV. Le phénomène se produit-il avec des substances comparables à la maïzena ?


Au vu des résultats obtenus avec la fécule de maïs nous nous sommes demandé si ce phénomène se reproduisait avec des substances comparables telles que la fécule de pomme de terre et la farine de blé. Nous avons réalisé les mélanges suivants : 

Eau-farine de blé à la concentration de g.ml-1


Eau-fécule de pomme de terre à la concentration de g.ml-1

Nous avons ensuite reproduit l’expérience déjà mise en place avec la maïzena (Expérience 2) et avons obtenu les résultats suivants : 
Farine de blé

m (en grammes)
T (en secondes)
1/t
500
39,84
0,0251
1200
12,89
0,0776
1500
8,80
0,1136
3000
6,97
0,1435
3500
5,02
0,1992

Fécule de pomme de terre 

m (en grammes)
T (en secondes)
1/t
500
0
-
1200
50,25
0,0199
1500
42,50
0,0235
3000
29,94
0,0334
3500
27,25
0,0367













Ces résultats donnent les courbes suivantes:

Farine de blé (b=1)                                                                        Fécule de pomme de terre (b=1,8)

Nous remarquons que la courbe de la fécule de pomme de terre est similaire à celle de maïzena donc c'est un fluide rhéoépaississant et non newtonien, de plus b>1.
Au contraire la courbe de la farine de blé est semblable à celle des fluides Newtonien, de plus b=1.
Les vidéos montrent que le phénomène se produit aussi avec la fécule de pomme de terre et non avec la farine de blé.
Nous avons alors recherché la composition de chaque farine sur leur boîte d'emballage et nous avons constaté que la maïzena et la fécule de pomme de terre comportaient la prescription "sans gluten", ce qui n'est pas le cas de la farine de blé qui en contient.
Nous avons donc émis une hypothèse :

 

Hypothèse 

La différence de réaction des mélanges est due à la composition des farines. Donc la présence de gluten empêcherait le phénomène de se produire.

 

V. Peut-on expliquer le phénomène eau-maïzena ?


Nous détaillerons cette partie dans notre présentation.


Bibliographie


http://www.youtube.com/watch?v=K98ZVl2ZqS4 (éxpérience maïzena+eau)




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