Tension superficielle

Un fil de coton se tend lorsqu’il est soumis à l’action d’un film de savon… un barreau semble rouler tout seul sur un cadre trempé dans l’eau savonneuse… sur une structure en fil de fer, les films de savon dessinent d’étranges figures… à toutes ces observations, une seule raison : la tension superficielle.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

Matériel
  • des pailles coudées ou du fil de fer (d’un diamètre d’environ 1 mm) ;

  • une solution d’eau savonneuse ;

  • un récipient plat (dimensions minimales : 10 cm ´ 25 cm) ;

  • un stylo à bille ;

  • éventuellement des tenailles.

Montage et réalisation

Couper 4 pailles et les emboîter pour former un rectangle (environ 8 cm x 20 cm).
Pour pouvoir introduire une paille dans une deuxième il faut élargir un peu la deuxième paille avec un stylo à bille.
Couper le coude d’une cinquième paille et la poser en travers du rectangle précédent (voir la figure 1).
Tenir l’ensemble et le plonger dans de l’eau savonneuse. Lorsque le dispositif est sorti du liquide, il présente deux pellicules d’eau savonneuse (voir la figure 1).
La paille du milieu reste en équilibre tant que les pellicules d’eau savonneuse sont intactes.
Dès que l’une des pellicules éclate, la paille glisse vers l’autre pellicule qui rétrécit puis disparaît.

On peut aussi (c’est ce qui a été fait dans la vidéo) remplacer les pailles par un morceau de fil de fer plié selon un rectangle.

 

Explications

La tension superficielle d’un liquide se traduit par une force s’exerçant sur une section infinitésimale du bord du liquide (par exemple une paroi du récipient). La force est située dans le plan de la surface du liquide, perpendiculaire au bord du liquide, dirigée vers l’intérieur du liquide (voir la figure 2) et son point d’application est situé sur le bord extérieur du liquide.

Dans l’expérience décrite ici, la paille mobile constitue la frontière commune entre deux pellicules d’eau savonneuse (pellicules I et II de la figure ci-dessus) qui exercent sur la paille les forces respectives et . Ces deux forces sont ici de sens opposés, du fait de la géométrie du problème, et de même valeur puisque la paille mobile reste en équilibre.

Lorsqu’une des pellicules vient à disparaître, la paille se met en mouvement sous l’effet de la force exercée par la deuxième pellicule. En se rétrécissant, la deuxième pellicule perd de l’énergie de surface qui se transforme en énergie cinétique de la paille.

Remarques

Une pellicule d’eau savonneuse dont les bords sont fixes adopte une forme dont la surface est minimale.
La vidéo présente deux autres expériences illustrant ce principe :
dans la première, un fil de coton fixé sur un boucle métallique sans être tendu et plongé dans de l’eau savonneuse se courbe en arc de cercle dès qu’on supprime l’un des deux films de savon ; dans la deuxième, lorsqu’on plonge une structure métallique (pyramide, cube etc…) plongée dans l’eau savonneuse, les films de savon ne s’appuient jamais sur les faces, mais se placent de manière à minimiser leur surface totale.

Références

 Tension superficielle et capillarité par Bernard Bonnel, Octobre 2006

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