Comment calculer la vitesse terminale Stokes-Newton particule
Calculez vitesse terminale d'une particule en chute dans un fluide. Loi de Stokes (1851) Re<0,1 laminaire, Newton turbulent Re>1000, Schiller-Naumann transition. Exemples pluie, poussiere.
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Comment calculer la vitesse terminale d'une particule en chute: vitesse terminale atteinte quand F gravitationnelle = F drag (frottement visqueux). Trois régimes: Stokes laminaire (Re < 0,1), v_t = 2*g*(rho_p - rho_f)*r^2 / (9*eta) pour petites particules en fluides visqueux; transition (0,1 < Re 1000), v_t = sqrt(4*g*d*(rho_p-rho_f)/(3*Cd*rho_f)) avec Cd ~0,44-0,47. Essentiel sedimentation, gouttes pluie, poussieres PM10/PM2.5 OSHA WHO, parachutisme, raffineries petrole, biotechnologie centrifugation.
Formules vitesse terminale
Loi de Stokes (1851): v_t = 2*g*(rho_p - rho_f)*r^2 / (9*eta), valide seulement Re < 0,1. Cd = 24/Re.
Newton turbulent: Re > 1000, v_t = sqrt(4*g*d*(rho_p-rho_f)/(3*Cd*rho_f)). Cd ~0,44 spheres lisses.
Transition: Schiller-Naumann (1933) Cd = 24/Re*(1+0,15*Re^0,687) iterative.
Reynolds: Re = rho_f*v*d/eta. Air 20°C rho 1,225 kg/m^3, eta 1,81e-5 Pa*s. Eau 1000 kg/m^3, 0,001 Pa*s.
Temps terminal: t99 ~ 4,6*v_t/g. Distance: d = (v_t^2/g)*ln(cosh(g*t/v_t)).
Histoire et contexte
George Gabriel Stokes (1819-1903 Cambridge) derive loi 1851 "On the effect of the internal friction of fluids" Cambridge Phil Trans 9. Brown (1827) observation mouvement brownien pollen, Einstein (1905) explique Stokes-Einstein. Schiller-Naumann (1933) correlation transition. Newton 1687 Principia drag turbulent. Industrie moderne: cimenteries, smelters PM10, pharmacie cristallisation, biotech centrifugation. France: ATMO Air qualite reseau associations regionales, ANSES sante environnement, INERIS Institut National Environnement Risques. Industrie globale filtration air > 30 milliards USD/an. PM2.5 WHO 5 µg/m^3 annuel, UE 2008/50/CE 25, EPA US 35 24h. CITEPA Centre Interprofessionnel Pollution Atmospherique.
Table vitesses terminales typiques
- PM2,5 aerosol (0,001 mm): 0,00003 m/s, residence jours-semaines
- PM10 poussiere fine (0,01 mm): 0,003 m/s
- Cellule sang (0,008 mm): 0,0001 m/s, VS Wintrobe
- Brouillard (0,05 mm): 0,07 m/s
- Bruine (0,2 mm): 0,8 m/s
- Pluie legere (1 mm): 4,0 m/s
- Pluie typique (3 mm): 8,1 m/s
- Grele 10 mm: 14 m/s = 50 km/h
- Grele 50 mm: 30 m/s = 110 km/h
- Parachutiste spread: 53 m/s = 190 km/h
- Felix Baumgartner 2012: 377 m/s Mach 1,25 (39 km altitude)
- Sable 100 µm dans eau: 0,007 m/s
Exemples numériques
Exemple 1 - goutte pluie 3 mm. d=3 mm. Newton Cd 0,47: v = 8,1 m/s. Re = 1644 turbulent. Meteo France monitorage pluie.
Exemple 2 - poussiere PM10 silice 10 µm. Silice 2500 kg/m^3. Stokes: v = 0,0075 m/s. Re=0,005. Conformite UE 2008/50/CE ATMO France.
Exemple 3 - sedimentation sable dans eau. 200 µm silice eau 20°C. Stokes: v = 0,0327 m/s. Re=6,5 transition. Schiller-Naumann v=0,025 m/s. NF EN ISO 17892 granulometrie.
Exemple 4 - parachutiste chute libre. 80 kg spread Cd=1,0 A=0,7 m^2. v_t = 42,8 m/s = 154 km/h. Tracking 250 m/s haute altitude. Felix Baumgartner Red Bull Stratos 2012 record. FFP Federation Francaise Parachutisme.
Exemple 5 - grele 30 mm. Glace 916 kg/m^3, 30 mm. Newton: v = 25 m/s = 90 km/h. KE = 4 J coup boxe. Dommages voitures Meteo France orages.
Limites
- Stokes seulement Re < 0,1.
- Particules non spheriques: sphericity factor.
- Floculation vitesse >> Stokes.
- Cunningham slip correction nano.
- Effet paroi Faxen 1922.
- Hindered settling >5% volume Richardson-Zaki.
- Particules deformables Hadamard-Rybczynski.
- Altitude: rho air baisse, v_t augmente.
- Magnus rotation lift lateral.
- Atmospheres denses (Venus) v_t inferieure.
Erreurs courantes
- Stokes au-dela Re 0,1.
- Confondre diamètre avec rayon.
- Ignorer densité fluide.
- Oublier Cunningham nano.
- Cd constant en transition.
- Non spheriques avec sphere formule.
- Hindered settling haute concentration.
- v_t sans correction altitude.
- Buoyancy fluides denses.
- Termes transitoires negliges.
Applications pratiques
- Meteorologie: Meteo France pluie grele, AMS.
- Qualite air: ATMO PM2,5 PM10, INERIS, CITEPA.
- Sedimentation lab: NF EN ISO 17892 granulometrie.
- Centrifugation: biotech, Percoll/Ficoll.
- Petroliere: FCC catalytique raffineries.
- Cimenteries: classification clinker.
- Smelters: PM10 capture baghouse.
- Parachutisme: FFP licence France, FAI.
- Volcanologie: OPGC IPGP cendres, Tephra.
- Astrophysique: IAS Orsay dust grain disk.
Support
Questions: info@calcoi.com. Applications professionnelles: Stokes 1851 Cambridge, Schiller-Naumann 1933, Hinds "Aerosol Technology" 2e ed (Wiley 1999), Crowe et al "Multiphase Flows" 2e ed (CRC 2011).
Mis à jour en juillet 2026
Questions fréquentes
Quand s'applique la loi de Stokes?
Difference entre Stokes et Newton drag?
Quelle difference fait la densité du fluide?
Vitesse d'une goutte de pluie?
Vitesse terminale d'un parachutiste?
Temps pour atteindre la vitesse terminale?
Comment gerer les particules non spheriques?
Formule
v_t = 2 * g * (rho_p - rho_f) * r^2 / (9 * eta), Re < 0.1
v_t = sqrt(4 * g * d * (rho_p - rho_f) / (3 * Cd * rho_f)), Re > 1000
Cd = 24/Re * (1 + 0.15 * Re^0.687), 0.1 < Re < 1000 iterative
Re = rho_f * v * d / eta
t99 ≈ 4.6 * v_t / g (constant Cd)
F = (rho_p - rho_f) * V * g (effective gravity)
Stokes 1851 Cambridge Phil Trans 9; Schiller-Naumann 1933; Newton 1687 Principia
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