Le ketchup est l’un des condiments les plus populaires aux États-Unis, avec la mayonnaise, mais sortir ces quelques dernières cuillerées de la bouteille se traduit souvent par une éclaboussure soudaine. « C’est ennuyeux, potentiellement embarrassant et cela peut ruiner les vêtements, mais pouvons-nous y faire quelque chose ? » C’est ce qu’a déclaré Callum Cuttle, de l’Université d’Oxford, lors d’une conférence de presse organisée en début de semaine à l’occasion d’une réunion de l’American Physical Society sur la dynamique des fluides à Indianapolis, dans l’Indiana. « Et plus important encore, la compréhension de ce phénomène peut-elle nous aider à résoudre d’autres problèmes dans la vie ? ».
La réponse à ces deux questions, selon Cuttle, est un oui retentissant. Avec son collègue d’Oxford, Chris MacMinn, il a mené une série d’expériences pour identifier les forces en jeu et développer un modèle théorique pour les éclaboussures de ketchup. Parmi les résultats les plus intéressants : Presser la bouteille plus lentement et doubler le diamètre de l’embout permet d’éviter les éclaboussures. Il existe également un seuil critique où le flux de ketchup passe brusquement de l’absence d’éclaboussures aux éclaboussures. Un article préimprimé a été publié sur arXiv et fait actuellement l’objet d’un examen par les pairs.
Isaac Newton a identifié les propriétés de ce qu’il considérait comme un « liquide idéal ». L’une de ces propriétés est la viscosité, vaguement définie comme le degré de friction/résistance à l’écoulement d’une substance donnée. La friction est due au fait qu’un liquide qui s’écoule est essentiellement une série de couches qui glissent les unes sur les autres. Plus une couche glisse rapidement sur une autre, plus il y a de résistance, et plus une couche glisse lentement sur une autre, moins il y a de résistance.
Mais tous les liquides ne se comportent pas comme le liquide idéal de Newton. Dans le fluide idéal de Newton, la viscosité dépend largement de la température et de la pression : l’eau continuera à s’écouler – c’est-à-dire à se comporter comme de l’eau – quelles que soient les autres forces qui s’exercent sur elle, comme le fait d’être remuée ou mélangée. Dans un fluide non newtonien, la viscosité change en réponse à une déformation ou à une force de cisaillement appliquée, ce qui permet de franchir la frontière entre le comportement liquide et le comportement solide. Les physiciens aiment appeler cela une « force de cisaillement » : Remuer un gobelet d’eau produit une force de cisaillement, et l’eau se cisaille pour s’écarter du chemin. La viscosité reste inchangée. Mais la viscosité des fluides non newtoniens change lorsqu’une force de cisaillement est appliquée.
Le ketchup est un fluide non-newtonien. Le sang, le yaourt, le jus de viande, la boue, le pudding et les garnitures de tarte épaissies en sont d’autres exemples, ainsi que la bave de poisson. Ils ne sont pas tous exactement semblables en termes de comportement, mais aucun d’entre eux n’adhère à la définition de Newton d’un liquide idéal.
Le ketchup, par exemple, est composé de solides de tomates pulvérisées en suspension dans un liquide, ce qui en fait un « solide mou » plutôt qu’un liquide, selon Anthony Stickland de l’Université de Melbourne en Australie. Les solides se connectent pour créer un réseau continu, et il faut surmonter la force de ce réseau pour que le ketchup coule, généralement en tapant ou en tapant sur la bouteille. Une fois que cela se produit, la viscosité diminue, et plus elle diminue, plus le ketchup coule rapidement. Les scientifiques de Heinz ont estimé le débit optimal du ketchup à 0,0045 par heure.
Lorsqu’il ne reste qu’un peu de ketchup dans la bouteille, il faut frapper encore plus fort, ce qui augmente le risque d’éclaboussures. « Au moment où vous arrivez à la fin, une grande partie de ce qui est à l’intérieur est de l’air », a déclaré Cuttle. « Donc, lorsque vous pressez, vous comprimez l’air à l’intérieur de la bouteille, ce qui crée une pression qui entraîne la bouteille vers le haut. [ketchup] vers l’extérieur. » La buse fournit une force de traînée visqueuse qui s’oppose au flux visqueux du ketchup, et l’équilibre entre les deux détermine le débit. Au fur et à mesure que la bouteille se vide, la viscosité diminue car il y a de moins en moins de ketchup à pousser. Et l’écoulement du liquide signifie que l’air a de plus en plus de place pour se dilater à l’intérieur de la bouteille, ce qui diminue la force motrice au fil du temps.
Pour comprendre la dynamique complexe qui fait que l’écoulement régulier se transforme soudainement en éclaboussures, il a fallu commencer par simplifier le problème. Cuttle et MacMinn ont créé un analogue d’une bouteille de ketchup, en remplissant des seringues (essentiellement des tubes capillaires) de ketchup, puis en injectant différentes quantités d’air (de 0 à 4 millilitres) à des taux de compression fixes pour voir comment la modification de la quantité d’air avait un impact sur le débit et sur l’éclaboussure du ketchup. Ils ont répété les expériences avec des seringues remplies d’huile de silicone afin de mieux contrôler la viscosité et d’autres variables clés.