Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Une goutte d’eau déposée à la surface d’un bain d’huile de tournesol forme une lentille liquide flottante. Une goutte d’alcool, au contraire, s’étale à la surface de l’huile. Un mélange d’eau et d’alcool produit un spectaculaire phénomène d’étalement et de fragmentation spontanée. Si la goutte contient suffisamment d’alcool, elle donne naissance en quelques secondes à une myriade de gouttelettes dont la taille dépend fortement de la composition initiale. La combinaison de l’hydrodynamique, du mouillage et de l’évaporation est à l’origine de cette instabilité originale. (a) Gustavo Gutiérrez, décédé en 2017, était professeur à l’université Simón Bolívar de Caracas (Venezuela). Spécialiste des milieux granulaires et des systèmes dynamiques, il avait aussi à cœur de partager son amour de la science avec les plus jeunes. Ses visites au laboratoire PMMH sont à l’origine de la recherche décrite dans cet article. 32 Reflets de la Physique n°59 Fragmentation de Marangoni  : les gouttes qui s’éclatent Ludovic Keiser, Hadrien Bense, Cyril Sturtz, Pierre Colinet, Benoît Roman, José Bico et Étienne Reyssat (etienne.reyssat@espci.fr) Laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH), (CNRS UMR 7636, ESPCI Paris, PSL Research Univ., Univ. Paris Diderot), Sorbonne Université, 7 quai Saint-Bernard, barre Cassan, 75005 Paris Autour d’une table, une quinzaine de gamins, penchés sur une assiette remplie d’huile de cuisine, s’émerveillent devant un complexe ballet de gouttelettes colorées. C’est le genre de rassemblement qu’avait l’habitude de produire notre collègue et ami Gustavo Gutiérrez (a), jovial bonhomme vénézuélien, pour faire découvrir la beauté des sciences aux enfants de Caracas. Nous avons eu la chance d’être nous aussi ces gamins, dans le milieu des années 2000, lorsque Gustavo a présenté cette expérience lors de la réunion hebdomadaire de notre laboratoire. Une couche d’huile de tournesol d’environ 1 cm de profondeur est versée dans une assiette. Lorsqu’on dépose sur ce bain une goutte d’eau suffisamment petite, elle flotte à la surface et adopte la forme d’une lentille. Si on y dépose plutôt une goutte d’éthanol pur, celle-ci s’étale spontanément, puis s’évapore, restituant la surface d’huile immaculée. Que peut-il bien advenir lorsqu’on dépose un mélange d’eau et d’alcool (dont on discutera la composition plus loin), additionné d’un peu de colorant ? On observe qu’un mélange suffisamment riche en alcool commence par s’étaler. Le rayon de la goutte de mélange déposée sature toutefois après quelques secondes à une valeur de l’ordre de quelques centimètres. La frontière de la goutte mère se déstabilise et une myriade de gouttelettes est formée et expulsée vers l’extérieur, alimentant un magnifique motif de points colorés (fig. 1). Cette fragmentation spontanée est sensible à la profondeur du bain d’huile, à la concentration en alcool du mélange, ainsi qu’à la vitesse d’évaporation, comme on le montre très simplement en soufflant délicatement sur la goutte pendant l’expérience. Enfin, après une dizaine de secondes, la goutte mère se rétracte et laisse à la surface du bain un arrangement de gouttelettes qui mûrit lentement. Ces motifs spectaculaires, bien qu’éphémères, peuvent être fixés simplement par des techniques d’impression inspirées du suminagashi, l’art japonais du papier marbré (voir encadré 1). Un seuil d’apparition Ce phénomène spectaculaire se produit si le mélange initial est suffisamment riche en alcool. Nous avons montré qu’il était nécessaire que le mélange soit mouillant sur l’huile, ce qui n’est pas le cas de l’eau pure [1]. Autrement dit, l’étalement est favorisé si l’énergie de surface de l’huile est plus élevée que la somme des énergies huile/mélange et mélange/air de l’interface complexe formée lors de l’étalement de la goutte. Des mesures des différentes tensions interfaciales en jeu en fonction du titre alcoolique du mélange montrent que ce dernier ne mouille l’huile que s’il contient plus de 65% d’éthanol. La concentration en alcool doit donc être plus élevée pour observer l’effet. Limite d’étalement Au-delà de ce seuil de concentration, la goutte commence à s’étaler puis s’arrête. Une odeur légèrement éthérée nous indique qu’une partie de l’alcool s’est évaporée. Ce dernier est en effet bien plus volatil que l’eau, qui ne s’évapore pratiquement pas à l’échelle de temps de notre expérience (quelques dizaines de secondes). La goutte appauvrie en alcool, ne mouille plus l’huile et tend à se rétracter, mais pourquoi ne revient-elle pas à un état de lentille ? » >
a o o b""a".1  : Avancées de la recherche -'t. !  : "-. 1. Expérience d’éclatement d’une goutte. (a) Dispositif expérimental  : on dépose sur un bain d’huile de tournesol une goutte de mélange d’eau et d’alcool. (b) Si le mélange est suffisamment riche en alcool, la goutte s’étale et se fragmente spontanément. En quelques secondes, elle donne naissance à une myriade de gouttelettes. Impressions artistiques Pour ajouter une dernière touche au « ouaah ! » engendré par un spectaculaire éclatement, voyons comment capturer ces motifs éphémères. En déposant, au moment voulu, une feuille de papier sur le bain, il est possible de fixer le moucheté coloré de gouttelettes formé à la surface (fig. E1). Cette technique est un avatar de celle que les Japonais nomment «suminagashi». Cet art des encres qui flottent sur l’eau permet de produire des motifs de cernes très élaborés qui sont ensuite transférés sur papier. Vous aurez peut-être déjà remarqué les revers de couverture marbrés ornant certains ouvrages anciens, imprimés selon des principes similaires. Cette technique a été récemment reprise par l’artiste Xavier Martinez [2]. Voilà un moyen simple de fixer des merveilles passagères (fig. E2). À vous de jouer [3] ! E1. Un motif de gouttelettes en cours de formation est capturé sur un papier déposé à la surface du bain. E2. « Sous-marin », par Xavier Martinez [2]. Des cernes d’encre de suminagashi sont déformés par le passage d’un sous-marin fantomatique à la surface du bain. E1 E2 Huile 10% eau 90% éthanol -...)1.  : alM encadré 1 et-errr.7 e1-77 ?'r.,Reflets de la Physique n°59 33



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