Avez-vous déjà joué aux bulles de savon ? Les bulles de savon sont rondes. Amusantes. On peut les faire éclater en soufflant dedans. Après avoir volé, les bulles de savon éclatent. Waouh, c'est amusant, un jeu d'enfance ! Pourquoi les bulles de savon sont-elles rondes ?
Réveillez-vous le matin et observez les feuilles autour de la maison. Remarquez les gouttelettes de rosée qui y sont accrochées. C'est étrange : les gouttes de rosée sont rondes. Comment est-ce possible ?
La tension superficielle est due au resserrement de la surface du liquide, lui donnant l'apparence d'une fine membrane. Ce phénomène est influencé par la force de cohésion entre les molécules d'eau. Pour mieux comprendre, prenons l'exemple d'un liquide contenu dans un récipient.
À l'intérieur du liquide, chaque molécule est entourée d'autres molécules de chaque côté ; mais à la surface, il n'y a que des molécules situées en dessous. Au-dessus, il n'y a aucune autre molécule. Comme les molécules s'attirent mutuellement, la force résultante est nulle à l'intérieur du liquide. En revanche, les molécules situées à la surface sont attirées par les particules de fluide situées au fond. Par conséquent, à la surface, la force résultante est dirigée vers le bas. Sous l'effet de cette force, le liquide en surface tend à se contracter au maximum, réduisant ainsi sa surface.
Cela donne à la couche liquide en surface l'apparence d'une fine membrane élastique. Ce phénomène est connu sous le nom de tension superficielle.
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Lorsque la pince est soigneusement placée à la surface de l'eau, les molécules d'eau situées à la surface sont légèrement comprimées par la gravité de la pince, de sorte que les molécules d'eau situées en dessous exercent une force de rappel vers le haut pour soutenir la pince.
En réalité, il ne s'agit pas seulement de trombones, mais aussi d'autres objets comme les aiguilles. Si l'on place délicatement une aiguille au-dessus de la surface de l'eau, elle flottera. La tension superficielle du liquide explique également pourquoi les insectes flottent sur l'eau.
L'équation de la tension superficielle
Dans la discussion précédente, nous avons étudié qualitativement le concept de tension superficielle (sans équation mathématique). Nous allons maintenant l'aborder quantitativement. Pour nous aider à établir son équation, considérons un fil métallique plié en forme de U. Un autre fil droit est fixé aux deux branches du fil plié en U et peut être déplacé.
Si ce fil est plongé dans le savon, une couche d'eau savonneuse se formera à sa surface après son retrait. C'est un peu comme lorsqu'on fait des bulles de savon. Comme le fil est mobile et que sa masse est faible, la couche d'eau savonneuse exerce une force de tension superficielle sur le fil, le maintenant ainsi en position verticale. Pour éviter ce mouvement (le fil est alors en équilibre), une force totale dirigée vers le bas est nécessaire. Cette force totale est égale à F = w + T. À l'équilibre, F correspond à la force de tension superficielle exercée par la couche de savon sur le fil.
Supposons que la longueur d'un fil rectiligne soit l. Puisque la couche d'eau savonneuse en contact avec ce fil possède deux surfaces, la force de tension superficielle qu'elle génère s'exerce le long de 2l. La tension superficielle dans la couche de savon est le rapport entre la force de tension superficielle (F) et la longueur de la surface sur laquelle elle s'exerce (d). Dans ce cas, la longueur de la surface est de 2l. Mathématiquement, cela s'écrit :
Comme la tension superficielle est le rapport entre la force de tension superficielle et la longueur, l'unité de tension superficielle est le newton par mètre (N/m) ou la dyne par centimètre (dynes/cm).
Voici quelques valeurs de tension superficielle obtenues expérimentalement.
D'après les données sur la tension superficielle, la température influe sur la valeur de cette dernière. Généralement, lorsque la température augmente, la tension superficielle diminue (comparer la tension superficielle de l'eau à différentes températures dans le tableau). Cela s'explique par le fait que, lorsque la température augmente, les molécules du liquide s'agitent plus rapidement, ce qui diminue les interactions entre elles et, par conséquent, la tension superficielle.
Application des concepts de tension superficielle dans la vie quotidienne
Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi laver son linge avec du savon ? Le problème, c’est que le linge est très propre ; l’eau doit donc traverser des espaces très étroits entre les fibres. Pour cela, il est nécessaire d’augmenter la surface de contact avec l’eau. Or, c’est très difficile à cause de la tension superficielle. Il faut donc d’abord la réduire. On peut y parvenir en utilisant de l’eau chaude. Plus la température de l’eau est élevée, mieux c’est, car plus la tension superficielle est faible (voir tableau). C’est la première solution, et elle est rarement utilisée. Une autre option consiste à utiliser du savon.
À une température de 20 ° C, la tension superficielle de l'eau savonneuse est de 25.00 mN/m. Comparez-la à celle de l'eau chaude : laquelle présente la plus faible tension superficielle ? À 100 ° C, la tension superficielle de l'eau chaude est de 58.90 mN/m. À 20 ° C, la tension superficielle du savon est de 25.00 mN/m. Il est donc plus avantageux d'utiliser du savon. Ce qui précède n'est qu'un des facteurs influents.
Pourquoi les bulles de savon ou d'eau sont-elles rondes ?
Les bulles de savon et les gouttes d'eau sont rondes grâce à la tension superficielle. Commençons par les bulles de savon. Elles sont constituées de deux fines membranes en surface, entre lesquelles se trouvent de fines couches d'eau.
La tension superficielle provoque la contraction de la membrane et tend à réduire sa surface. Lorsque la membrane d'eau savonneuse se contracte et cherche à minimiser sa surface, une différence de pression apparaît entre l'air extérieur (pression atmosphérique) et l'air intérieur. La pression atmosphérique exerce une force sur la membrane lors de sa contraction, car la pression à l'intérieur est plus faible.
Après la contraction de la membrane, l'air emprisonné entre les deux membranes est comprimé, ce qui augmente la pression interne jusqu'à ce que la contraction cesse. Autrement dit, en l'absence de contraction, la pression entre les membranes est égale à la pression atmosphérique additionnée à la force de tension superficielle qui provoque le plissement de la membrane.
Qu'en est-il alors des gouttes de rosée ou des gouttes d'eau qui coulent du robinet ? Le phénomène est identique, car la cause principale est la tension superficielle. Si les bulles de savon sont composées de deux fines membranes sur leurs deux surfaces, les gouttes d'eau, elles, ne possèdent qu'une seule fine couche, à l'extérieur. L'intérieur est rempli d'eau. La force de cohésion engendre la tension superficielle, qui attire la partie extérieure de la goutte vers l'intérieur. L'eau se contracte ainsi et sa surface tend à diminuer. La pression atmosphérique extérieure contribue également à cette contraction. La contraction cesse lorsque la pression à l'intérieur de la goutte est égale à la somme de la pression atmosphérique et de la force de tension superficielle qui resserre la membrane d'eau.
