Mines Physique 1 PC 2025Sujet, corrigé et rapport du jury
La viscosité
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PCSI : 1 question sur 22. Autres questions faisables en PCSI
Détail par partie
- Partie I : La formule de Stokes0/112e année
- Partie II : Glissement d'un gaz à la surface d'un solide0/52e année
- Partie III : Approche microscopique de la viscosité1/6En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
DifficileLa viscosité : formule de Stokes, conditions de glissement d'un gaz et approche microscopiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet porte entièrement sur la mécanique des fluides et étudie la viscosité sous trois angles indépendants. La première partie établit la formule de la force de trainée de Stokes dans le régime à faible nombre de Reynolds. La deuxième partie étudie différentes conditions de glissement d'un gaz à la surface d'un solide, et la troisième aborde des aspects microscopiques de la viscosité, notamment sa dépendance à la pression et à la température.
- 1Partie I : la formule de StokesÉtablissement de la loi de pression à partir du champ de vitesse donné, puis calcul des deux termes composant la force de trainée de Stokes autour d'une boule en régime de faible nombre de Reynolds.
- 2Partie II : conditions de glissement d'un gazÉtude de différentes conditions aux limites de glissement d'un gaz à la surface d'un solide.
- 3Partie III : approche microscopique de la viscositéÉtude de la viscosité à l'échelle microscopique, en particulier de sa dépendance vis-à-vis de la pression et de la température.
Difficile. Le rapport signale que la plupart des questions détaillées ont posé des difficultés notables aux candidats (erreurs rarement corrigées, notions rarement comprises, questions peu abordées), même si l'épreuve a permis un classement satisfaisant en laissant les candidats traiter un nombre correct de questions.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 12,06 / 20 · écart-type 3,87 · 3 732 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 12,06/ 20
- Écart-type
- 3,87
- Présents
- 3 732
- Coefficient
- 4
- Durée
- 3 h
- 1er quartile
- 9,5
- Médiane
- 12,6
- 3e quartile
- 14,75
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 23 avril 2025. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesÉcoulement turbulent mal représenté · Orientation des vecteurs de la base polaire mal exploitée · Loi finale non retrouvée sans réactionAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe jury note que toutes les questions ont été traitées par les candidats, mais relève de nombreuses difficultés récurrentes : rigueur insuffisante dans l'usage des vecteurs, applications numériques régulièrement non abouties ou présentées sous forme de fractions, et un manque de justification des réponses.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Écoulement turbulent mal représentéQ2
Des schémas de lignes de courant mal orientées et se mélangeant en amont de l'obstacle ne traduisent pas une réelle compréhension du phénomène.
« Dans le cas d’un écoulement turbulent, des dessins gribouillés, où les lignes de courant se mélangent en amont de l’obstacle ne correspondent »
- 2Orientation des vecteurs de la base polaire mal exploitéeQ9
Les candidats n'exploitent pas correctement l'orientation des vecteurs de la base polaire en fonction de l'angle theta lors de l'intégration sur la boule, ce qui empêche d'obtenir une force colinéaire au vecteur radial.
« Les vecteurs de la base polaire sont orientés en fonction de l’angle théta, leur intégration sur l’ensemble de la boule où cet angle varie ne »
- 3Loi finale non retrouvée sans réactionQ11
Trop de candidats ne retrouvent pas la loi correspondant à celle donnée dans l'énoncé, sans s'en étonner ni chercher l'erreur.
« Trop de candidats ne trouve pas du tout une loi correspondant à celle donné dans »
- 4Théorie statistique de base mal compriseQ17
La théorie statistique basique au programme n'est pas bien comprise par de nombreux candidats, alors que le résultat pouvait s'obtenir sans recourir à une analyse dimensionnelle.
« La théorie statistique basique au programme n’est pas bien comprise par de nombreux candidats, le résultat peut s’obtenir sans recourir »
- 5Termes de force mal identifiésQ19
L'identification des deux termes de la force étudiée en termes de force de pression et de force de cisaillement est rarement comprise par les candidats.
« L’identification des deux termes de la force étudié en terme de force de pression et force de cisaillement est rarement »
- 6Analyse du graphique négligéeQ22
Trop peu de candidats consacrent du temps à l'analyse du graphique proposé dans cette question.
« Trop peu de candidats consacrent du temps à l’analyse du graphique proposé. »
Ce qui a été bien réussi
- La question de cours de la question 3 a souvent été réussie.
- La question 7 a été dans l'ensemble bien traitée.
- Un commentaire pertinent sur la comparaison des deux grandeurs de la question 16 a toujours été apprécié.
Conseils du jury
- Utiliser un brouillon de façon raisonnée pour éviter les erreurs sur la copie et produire des réponses concises et maîtrisées.
- Ne jamais égaler un vecteur à un scalaire dans une équation.
- Présenter les applications numériques sous forme décimale avec l'unité adéquate, jamais sous forme de fractions.
- Justifier systématiquement toutes les réponses, y compris les résultats de cours.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
22 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
22 questions22 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Donner la définition du nombre de Reynolds,, associé à un écoulement de vitesse typique, de dimension…
- Q2En se plaçant dans le plan, représenter qualitativement quelques lignes de courant du fluide autour de la…
- Q3Pour des nombres de Reynolds supérieur à 1000, comment la force de traînée subie par une boule solide…
- Q4Déterminer l'expression du coefficient de traînée en fonction du nombre de Reynolds.
- Q5Donner l'équation de Navier-Stokes simplifiée, correspondant au régime de l'écoulement considéré et vérifiée…
- Q6Montrer que ce champ de vitesse vérifie bien la condition de non-glissement à la surface de la boule…
- Q7Montrer que expression dans laquelle on précisera la valeur de la constante positive.
- Q8En déduire que la pression autour de la boule s'écrit sous la forme dans laquelle on précisera l'expression…
Voir les 14 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Déterminer la résultante des forces de pression, notée, sur la boule.
- Q10Déterminer la résultante des forces de cisaillement, notée, exercée par le fluide sur toute la boule.
- Q11Déduire des deux résultats précédents la force de traînée exercée par le fluide sur la boule.
- Q12Déterminer, en fonction de et, la vitesse moyenne après collision avec la paroi. En déduire la vitesse de…
- Q13Exprimer, en fonction de, et, la vitesse comme un développement de Taylor au premier ordre de au voisinage…
- Q14Déterminer l'équation différentielle vérifiée par le champ de vitesse du fluide.
- Q15Déterminer dans ces conditions l'expression du champ de vitesse en fonction de,, et. Déterminer le débit…
- Q16Déterminer le champ de vitesse dans le fluide,, en fonction de,, et. Exprimer le débit volumique en fonction…
- Q17Déterminer l'expression de en fonction de,, et. Calculer sa valeur numérique dans des conditions usuelles.
- Q18Déterminer, en fonction des données, la variation de quantité de mouvement de la tranche A pendant la durée…
- Q19Déterminer réciproquement la variation de quantité de mouvement de la tranche B pendant la même durée à…
- Q20En écrivant un développement limité à l'ordre 1 pour, déterminer la viscosité dynamique du fluide en…
- Q21Rappeler le lien entre, et le diamètre des molécules du gaz. En déduire que dans le cadre de ce modèle, la…
- Q22Des mesures de la viscosité de l'air, à différentes températures (élevées), ont donné la figure 5…
Description
Le sujet porte entièrement sur la mécanique des fluides et étudie la viscosité sous trois angles indépendants. La première partie établit la formule de la force de trainée de Stokes dans le régime à faible nombre de Reynolds. La deuxième partie étudie différentes conditions de glissement d'un gaz à la surface d'un solide, et la troisième aborde des aspects microscopiques de la viscosité, notamment sa dépendance à la pression et à la température.
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A2025 - PHYSIQUE I PC
Mines-Ponts
ÉCOLE NATIONALE DES PONTS et CHAUSSÉES, ISAE-SUPAERO, ENSTA PARIS, TÉLÉCOM PARIS, MINES PARIS, MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY, IMT ATLANTIQUE, ENSAE PARIS, CHIMIE PARISTECH - PSL.
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
L'usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages de texte.
La viscosité
Dans ce problème, on se propose tout d'abord dans la partie
Les quelques applications numériques demandées le sont avec un seul chiffre significatif. Si on néglige la pesanteur, dans un fluide newtonien de masse volumique
I La formule de Stokes

-
- Donner la définition du nombre de Reynolds,
R_e , associé à un écoulement de vitesse typiquev , de dimension typiqueL , de masse volumiqueρ et de viscositéη .
Préciser le rapport de deux termes de l'équation de Navier-Stokes (1) qu'il estime.
Interpréter physiquement chacun de ces deux termes.
- Donner la définition du nombre de Reynolds,
-
- En se plaçant dans le plan
𝒫 = (O, e⃗_x, e⃗_z) , représenter qualitativement quelques lignes de courant du fluide autour de la boule pour les deux situations,R_e très grand (préciser) etR_e assez faible, et décrire dans chaque cas l'écoulement autour de la boule solide.
PourR_e≪1 , on précisera sur le schéma le vecteur vitessev⃗(M) d'une particule de fluide localisée en un pointM ∈ 𝒫 voisin de la boule. Représenter aussi la distancer , l'angleθ et les vecteurs de base locauxe⃗_r ete⃗_θ correspondants.
- En se plaçant dans le plan
-
- Pour des nombres de Reynolds supérieur à 1000, comment la force de traînée subie par une boule solide est-elle reliée à la vitesse de l'écoulement?
Pour évaluer la force de traînée,F⃗ = F_z e⃗_z , subie par un solide se déplaçant à la vitessev⃗ = ve⃗_z dans un fluide au repos, on introduit le coefficient de traînéeC_z défini par :
- Pour des nombres de Reynolds supérieur à 1000, comment la force de traînée subie par une boule solide est-elle reliée à la vitesse de l'écoulement?
On considère dans le reste de cette partie un écoulement de Stokes stationnaire autour d'une boule de diamètre
-
- Déterminer l'expression du coefficient de traînée
C_z en fonction du nombre de ReynoldsR_e .
- Déterminer l'expression du coefficient de traînée
-
- Donner l'équation de Navier-Stokes simplifiée, correspondant au régime de l'écoulement considéré et vérifiée par le champ de vitesse du fluide
v⃗ en un pointM situé à l'extérieur de la boule.
- Donner l'équation de Navier-Stokes simplifiée, correspondant au régime de l'écoulement considéré et vérifiée par le champ de vitesse du fluide
-
- Montrer que ce champ de vitesse vérifie bien la condition de non-glissement à la surface de la boule.
Montrer qu'il vérifie également la condition aux limites loin de la boule.
- Montrer que ce champ de vitesse vérifie bien la condition de non-glissement à la surface de la boule.
- Montrer que
rot^(→−)v⃗ = − α(v_0 asinθ)/(r^2)e⃗_φ expression dans laquelle on précisera la valeur de la constante positiveα ∈ ℚ .
◻ − 8 . En déduire que la pression autour de la boule s'écrit sous la formeP(M) = P_∞ − β(cosθ)/(r^2) dans laquelle on précisera l'expression deβ en fonction deη, a etv_0 .
-
- Déterminer la résultante des forces de pression, notée
F⃗_p , sur la boule.
- Déterminer la résultante des forces de pression, notée
-
- Déterminer la résultante des forces de cisaillement, notée
F⃗_c , exercée par le fluide sur toute la boule.
- Déterminer la résultante des forces de cisaillement, notée
-
- Déduire des deux résultats précédents la force de traînée exercée par le fluide sur la boule.
II Glissement d'un gaz à la surface d'un solide

Le champ moyen
Le glissement des molécules de fluide à la surface de la paroi dépend de leurs interactions moléculaires avec celles qui constituent cette paroi. Les conditions aux limites de type «nonglissement
molécules dans le fluide et l'échelle typique spatiale
Ce comportement ballistique des molécules fluides doit être pris en compte dès que
Dans un modèle simple, Maxwell considère uniquement deux types de chocs :
- Le choc spéculaire : la molécule de fluide conserve sa vitesse tangentielle à la paroi après le choc, la composante normale est simplement inversée au moment du choc.
- Le choc diffusif : la molécule est ré-émise dans le fluide après sa collision avec la paroi avec la même vitesse que celle de la paroi.
Il noteσ la proportion des molécules du fluide qui effectuent un choc diffusif et donc1 − σ la proportion de celles qui effectuent un choc spéculaire. Il suppose enfin que dans la couche d'épaisseurℓ et pendant la duréeτ = ℓ/δv , seulement la moitié des molécules susceptibles d'entrer en collision avec la paroi le font effectivement, les autres continuant en ligne droite à la vitesseu_i = u(ℓ) . La paroi est fixe et située enz = z_p = 0 . -
- Déterminer, en fonction de
u_i etσ , la vitesse moyenneu_r après collision avec la paroi. En déduire la vitesse de glissementu_g des molécules de cette couche pendant la duréeτ .
On considére que chaque molécule traverse en moyenne le libre parcours moyenℓ entre chaque collision.
◻ − 13 . Exprimer, en fonction deu_g, ℓ et(∂u)/(∂z)|_(z = 0) , la vitesseu_i = u(ℓ) comme un développement de Taylor au premier ordre deu(z) au voisinage de la paroi.
En utilisant la condition aux limites (2) de Maxwell-Navier pourv_t = u_g , exprimer la longueur d'extrapolationb (aussi appelée longueur de glissement) en fonction deℓ etσ .
On pourra poursuivre l'étude en admettant la pertinence de la condition aux limites (2) en fonction du paramètreb qui sera alors supposé connu.
On considère un fluide (masse volumiqueρ et viscosité dynamiqueη ) qui s'écoule de manière stationnaire et incompressible avec une vitesse suivante⃗_x , du fait d'un gradient de pression constant, entre deux parois planes situées enz = ± h/2 (voir figure 3).
On noteL la longueur du canal suivant(Ox) etG = (P_e − P_s)/L = − (∂P)/(∂x) , les grandeursP_e etP_s étant respectivement les pressions d'entrée et de sortie dans le canal.
- Déterminer, en fonction de

-
- Déterminer l'équation différentielle vérifiée par le champ de vitesse du fluide
u(z) .
- Déterminer l'équation différentielle vérifiée par le champ de vitesse du fluide
-
- Déterminer dans ces conditions l'expression du champ de vitesse
u_(ng)(z) en fonction deG ,h , etη .
Déterminer le débit volumiqueQ_(ng) en fonction deG, h, w etη .
On tient désormais compte du glissement des molécules du gaz sur les parois dans le modèle de Maxwell-Navier. La longueur de glissementb est supposée identique sur les deux parois.
- Déterminer dans ces conditions l'expression du champ de vitesse
-
- Déterminer le champ de vitesse dans le fluide,
u_g(z) , en fonction deG, h, b etη . Exprimer le débit volumiqueQ_g en fonction deQ_(ng) et du taux de confinementξ = b/h du fluide. Commenter.
- Déterminer le champ de vitesse dans le fluide,
III Approche microscopique de la viscosité
Le modèle adopté est celui d'un écoulement unidirectionnel dans une base cartésienne
On suppose que la fluctuation
On suppose enfin que le cisaillement moyen
Les particules constituant le fluide sont assimilées à des sphères dures de diamètre
Le fluide considéré est par exemple l'air dont la masse molaire est
Calculer sa valeur numérique dans des conditions usuelles.
On note
Les fluctuations de la vitesse des molécules font qu'une partie de celles qui se trouvent dans la couche A montent dans la couche B : celles qui sont telles que

-
- Déterminer, en fonction des données, la variation de quantité de mouvement
dP⃗_A de la tranche A pendant la duréeΔt = τ , à travers la surfaceS .
- Déterminer, en fonction des données, la variation de quantité de mouvement
-
- Déterminer réciproquement la variation de quantité de mouvement
dP⃗_B de la tranche B pendant la même durée à travers la surfaceS .
En déduire la force exercée par la tranche B (resp. A) sur la tranche A (resp. B) pendantΔt à travers la surfaceS . On interprètera physiquement les deux termes (tangentiel et normal) présents dans ces forces.
- Déterminer réciproquement la variation de quantité de mouvement
-
- En écrivant un développement limité à l'ordre 1 pour
u(z ± ℓ) , déterminer la viscosité dynamiqueη du fluide en fonction de la massem des molécules qui le compose, de leur densité particulairen , deℓ et deδv .
Calculer la viscosité de l'air sachant que dans les conditions usuelles,ℓ ≃ 60 nm etδv ≃ 500 m ⋅ s^(− 1) . L'ordre de grandeur vous paraît-il correct?
- En écrivant un développement limité à l'ordre 1 pour
-
- Rappeler le lien entre
n, ℓ et le diamètred des molécules du gaz. En déduire que dans le cadre de ce modèle, la viscosité est indépendante de la pression du gaz. Commenter ce résultat.
Donner la dépendance de la viscosité du gaz en fonction de la température.
- Rappeler le lien entre
-
- Des mesures de la viscosité de l'air, à différentes températures (élevées), ont donné la figure 5 ci-dessous. La dépendance en température du modèle précédent vous paraît-elle conforme à l'expérience? On justifiera sa réponse.

FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte l'épreuve de physique 1 PC Mines-Ponts 2025 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte l'épreuve de physique 1 PC Mines-Ponts 2025 ?
Le sujet porte entièrement sur la mécanique des fluides visqueux : établissement de la formule de Stokes, conditions de glissement d'un gaz sur un solide, et approche microscopique de la viscosité.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet de physique 1 PC ?
Une mauvaise orientation des vecteurs en coordonnées sphériques, une théorie statistique de base mal comprise, une identification erronée des termes de force de pression et de cisaillement, et des applications numériques non abouties.
L'épreuve de physique 1 PC Mines-Ponts 2025 est-elle difficile ?
Oui, le rapport relève des difficultés sur la plupart des questions détaillées, bien que toutes les questions aient été traitées et que le classement final ait été jugé satisfaisant.
Faut-il bien maîtriser l'équation de Navier-Stokes pour ce sujet de physique PC ?
Oui, l'ensemble du sujet repose sur l'équation de Navier-Stokes et son utilisation en coordonnées sphériques pour établir la force de Stokes autour d'une boule.
Pas de description pour le moment
