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29 janvier 2010 5 29 /01 /janvier /2010 16:23

Bulle de Savon 2. Iridescence + conclusion + bibliographie

1.            IRIDESCENCE

Lorsque nous observons la surface d’une bulle de savon, nous pouvons apercevoir une large palette de couleur. Ce phénomène est appelé l’Iridescence.

 

 

3.1 Les interférences

 

Il y a interférence, lorsque deux ondes de même période T et de même longueur d’onde L arrivent au même endroit, sans être passées par le même chemin.

On parle d’interférence constructive lorsque les ondes sont en phase. A l’inverse, on parle d’interférence destructive lorsque les ondes sont en opposition de phase.

La « différence de marche D » (en mètre) est une grandeur permettant de définir l’interférence :

D = n2*d2 – n1*d1 = n2*d2 – d1                                       (2)

 

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Si D = (C + ½) * L alors l’interférence est destructive est l’observateur aperçoit une frange sombre d’amplitude minimale.

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3.2 Loi d’optique et couleurs variées

 

En arrivant sur la surface de la bulle, un faisceau incident de lumière blanche, verra une partie de son faisceau réfléchie tandis que l’autre entrera dans la membrane en étant légèrement déviée, c’est le rayon réfracté.

 

Deux lois d’optique sont nécessaires pour comprendre l’iridescence :

 

Première loi :

Un rayon réfléchi sur un milieu plus réfringent (à l’indice plus élevé) subit un déphasage d’une demi-période (Il ne subit aucun déphasage lorsqu’il se réfléchit sur un milieu moins réfringent.).

Seconde loi :

Un rayon ne subit aucun déphasage lors d’une réfraction.

 

Grâce à des lois d’optique et de mathématique, nous pouvons écrire la relation (1) sous la forme:

D = 2 * n2 * e * cos (i2) + L/2                                   (3)

(Où e est l’épaisseur de la membrane)

 

L’épaisseur de la membrane entre alors en jeu. Nous savons que l’eau s’écoule entre les deux couches de tensioactif ce qui entraîne une épaisseur de la bulle plus épaisse vers le sol que vers le ciel.  Or, pour une membrane très mince (beaucoup plus petite que la longueur d’onde du rayon lumineux) le rayon réfléchi 1 se retrouve déphasé d’une demi-période par rapport au rayon incident 2 (voir schéma). On a une interférence destructive, la membrane apparaîtra noire.

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A l’opposé, si l’épaisseur de la membrane vaut le quart de la longueur d’onde, le rayon 2 parcourt un aller retour entre les deux parois de la membrane égale à une demi-période, ainsi les deux rayons 1 et 2 se retrouvent en phase à la sortie, on aperçoit une couleur très lumineuse.

Ainsi, les couleurs variées apparaissant à la surface d’une bulle s’expliquent par le fait que son épaisseur n’est pas constante, chaque composante du rayon lumineux, sera à tel endroit, amplifié ou annulé selon sa longueur d’onde.

 

A travers notre étude, nous avons pu mettre en évidence le rôle majeur des tensio-actifs du savon dans  la constitution des bulles. En effet ceux-ci maintiennent une certaine cohésion dans la membrane tout en réduisant les tensions de surfaces et en augmentant leur durée de vie. En effet celles-ci sont soumises à des forces de pressions intérieure et extérieure. Alors pour répondre à ces forces, la bulle doit avoir une surface minimale pour un volume maximal, or la forme géométrique qui répond à ces conditions est la sphère. Quant aux teintes irisées de la bulle, d’abord pâles et délavées, puis de plus en plus vives, proviennent des différences d’épaisseur de notre bulle ; les lois de l’optique font que des interférences entrent en jeu et dévient les rayons lumineux pour nous offrir une large palette composée des couleurs de l’arc en ciel.

BIBLIOGRAPHIE

 

Ouvrages

 

Gouttes, bulles, perles et ondes  DE GENNES, DRACHARD-WYARD, QUERRE, éd Belin.

 

Sites Internet

*28/02/08 Bulle de savon - Wikipédia

http://fr.wikipedia.org/wiki/Bulle_de_savon

*28/02/08 Tension superficielle - Wikipédia

http://fr.wikipedia.org/wiki/Tension_superficielle

*Nassima, Nadège et Perrine 06/03/08 les bulles de savon - tpe

http://weshlesbubulles.free.fr/

*08/03/08 Document sans titre

http://www.ac-nice.fr/ia06/pedagogie/sciences/Olivier/bul/BULLES.HTM

*15/03/08 accompagnement scientifique pourquoi ne peut-on pas faire de ...

http://www.rvweb.fr/index.php?dlm/3/7

*18/03/08 Les bulles

http://toutsurlesbulles.free.fr/site/lesbulles.html

*18/03/08 Bulle de savon - Définition - Encyclopédie scientifique en ligne

http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=6779

*Bancel, Batailler,  Diosdado, Doublier, Demange 23/03/08 Lycée Condorcet Saint Priest 69 800

http://olympiades-physique.in2p3.fr/xiii/2006/15_St_Priest_Couleurs_changeantes/bulles_savon_couleurs_chang.pdf

*Bernard Maitte 01/04/08 bulles de science

http://www.cndp.fr/RevueTDC/866-66096.htm

*06/04/08 bulles de savon

http://pagesperso-orange.fr/patrick.kohl/surfaces/surf_4.htm

*06/04/08 Bulles de savon

http://pagesperso-orange.fr/philippe.boeuf/robert/physique/bullesavon.htm

*Mathieu Colombel  18/04/08 écumage principe chimique

http://www.abrisousroche.com/EauMer/Articles/Ecumage/EcumagePrincipeMathieu.htm

 

 

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29 janvier 2010 5 29 /01 /janvier /2010 16:15

Bulle de savon 1. La bulle

1.            LA BULLE

1.1          La forme sphérique

 

Il y a beaucoup d’éléments qui adoptent une forme géométrique stable. Une bulle de savon forme une sphère parfaite, lisse à l’échelle atomique et très peu déformable. Ainsi on comprend que la surface d’un liquide est donc comme une membrane tendue, caractérisée par une tension superficielle (ou tension de surface), qui s’oppose à ses déformations.

 

 

2.1.1 Définition de la tension superficielle

 

 

La tension superficielle ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.

Quelques observations simples mettent en évidence ce phénomène :

·              Un insecte capable de marcher sur l’eau

·              Une pièce de monnaie flottant dans un verre

·              Une bulle de savon

                    

La tension superficielle dépend du liquide et de la nature de l’autre partie de l’interface (gaz, air, métal, verre, …).

 

2.1.2 Mécanisme  de la tension superficielle

 

 

La tension superficielle g  est la force appliquée perpendiculairement à la surface.

g=f/l

g en N.m-1 ou en J.m-2

 f en N et l en m.

 

Dans un liquide les molécules sont soumises à plusieurs forces:

·              Van der Waals (attraction)

·              Électrostatiques (attraction ou répulsion)

 

Conséquence : Dans le cas d’une bulle de savon, qui est une mince couche de liquide emprisonnant une poche de gaz (air), celle-ci garde sa cohésion grâce à la tension superficielle. Tel qu’il existe une relation en pression intérieure et pression extérieure :

Pi – Pe = 4g/ R                       (1)  équation de Laplace

  Ou R est le rayon de la bulle.

De plus pour une bulle de savon, les tensioactifs contenus dans le film diminuent la tension superficielle, car ceux-ci dilatent la surface s’opposant à la tension de surface.

2.1.3 La forme sphérique

 

 

Comme nous l’avons vu, à l’intérieur d’un liquide les molécules s’attirent entre elles ; l’état d’équilibre est donc toujours celui où la surface de contact entre le liquide et l’air est la plus petite. C’est à dire la sphère car elle satisfait l’équation de Laplace (1).

 

2 

Pour le liquide savonneux la forme stable est une goutte sphérique. Une bulle est un système hors d’équilibre donc instable : à la moindre petite fuite, elle se déchire et redevient une goutte.

C’est pour cela que les bulles ont une durée de vie aussi limitée et qu’elles éclatent aussi facilement à la moindre perturbation.

 

 

2.1    La durée de vie d’une bulle

 

Nous avons vu que la bulle prenait une forme sphérique pour répondre au théorème de Laplace. Qui plus est, l’équilibre de cette forme est vraiment très instable. Donc on peut se demander comment se maintient-elle quelques secondes voire quelques minutes en l’air pour finalement disparaitre ?


 3


Schéma d’une paroi de bulle de savon

 

 

2.2.2  L’éclatement

 

 

On peut considérer qu’il existe trois facteurs pouvant provoquer l’éclatement :

·              Le drainage.

La gravité entraine le liquide savonneux a s’écoulé entre les deux parois. Progressivement le film devient de plus en plus épais en bas alors qu’en haut il s’amincit, jusqu’à ce qu’il devienne trop fin et se rompt.

·              L’humidité et la température.

Une bulle placée au soleil ou près d’une source de chaleur durera moins longtemps. En effet, la chaleur évapore l’eau de la paroi, et donc la fragilise.

A l’inverse un climat plutôt humide et froid favorisera la longévité de la bulle de savon.

 

·              Les forces de pression.

Les forces de pression à l'intérieur de la bulle ainsi que celles à l'extérieur sont une cause d'éclatement. En effet, une bulle renferme un certain volume de gaz, donc elle est constamment soumise aux forces de pression intérieure qui dilatent la bulle, l'étirent. Tandis que les forces de pression extérieures contractent la bulle pour la rendre plus petite.

Donc la bulle est soumise à des forces qui essayent de l'étirer et de la contracter simultanément : la bulle est en équilibre au niveau des forces.

4.jpg

En effet, la bulle s'étire jusqu'à ce que les pressions intérieures et extérieures à la bulle soient identiques. Cette dernière acquiert donc une certaine stabilité. Si en quelque endroit de la bulle, l'interface entre les deux couches d'air ne sont pas similaires (ex : écoulement de l’eau), les pressions appliquées au film n'influent pas de la même manière dessus : un point " moins épais " par exemple sera plus fragile. La bulle éclatera.

Remarque.

Plus le volume d’une bulle augmente plus celle-ci vie longtemps car le drainage de l’eau prendra plus de temps pour s’effectuer.


5.jpg
Durée de vie d’une bulle en fonction de son diamètre

 

En revanche pour de très gros volumes ce n’est pas le cas. Etant donné que la quantité de tensio-actif est fixée au départ, si on augmente la surface les tensio-actifs auront une densité plus faible que dans une petite bulle

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29 janvier 2010 5 29 /01 /janvier /2010 16:03

les bulles de savon (exposé scientifique DUT S2)

Depuis déjà plusieurs siècles, les bulles de savons intriguent toutes les générations, les scientifiques comme les artistes, les adultes comme les enfants.  Mais ce n’est en réalité que depuis un peu plus de cent cinquante ans que les scientifiques se sont vraiment penchés sur la question.

Cependant la bulle garderait-elle tout son charme si l’on perçait son mystère ?

Nous n’avons pu résister à l’envie de connaître  ses secrets.

On peut faire des bulles uniquement avec de l’eau ; il suffit de regarder au pied d’une cascade où se forment les remous. Seulement, ces bulles éclatent vite. C’est pour prolonger leur vie que le savon devient indispensable, nous verrons son rôle dans une première partie, puis nous nous intéresserons à cette forme spécifique qu’est la sphère pour  conclure sur le phénomène d’iridescence.

1.            POURQUOI DU SAVON ?

1.1         La molécule du savon

 

Les savons sont constitués de tensioactifs ; ce sont des molécules amphiphiles, c’est à dire qu’elles sont formées de deux parties à polarités différentes :

_ La tête, partie hydrophile, est soluble dans l’eau. Elle contient deux atomes d’oxygène.

_ La queue, partie hydrophobe, est constituée d’une chaîne de dix à vingt atomes de carbone.

 

Schéma d’une molécule amphiphile : l’ion carboxylate du savon

 

 

 

Les tensioactifs renforcent les interfaces entre deux milieux. La partie hydrophile du savon emprisonne l’eau dans l’épaisseur de la bulle alors que la partie hydrophobe, tournée vers l’extérieur, forme la membrane.


1.jpg

Les tensioactifs renforcent les interfaces entre deux milieux. La partie hydrophile du savon emprisonne l’eau dans l’épaisseur de la bulle alors que la partie hydrophobe, tournée vers l’extérieur, forme la membrane.

 

Le composé du savon est un tensioactif dit anionique, c’est à dire que la partie hydrophile est chargée
négativement. Cette charge négative (anion) est libérée en solution aqueuse.

2.1         Un produit plus efficace

L’eau et le savon sont les deux principaux produits pour créer une bulle de savon digne de ce nom. On peut pourtant rajouter d’autres produits, à des quantités définies pour augmenter la taille ou la résistance de ces bulles.

 

La glycérine :

Grâce à sa triple fonction alcool, la glycérine crée des liaisons avec les molécules d’eau pour donner une structure gluante à la solution qui est plus solide. 

Le sucre :

Il diminue l’évaporation de l’eau et épaissit également le mélange.

 

La glycérine et le sucre étant peu solubles  dans l’eau, il n’est pas nécessaire dans ajouter une grande quantité dans le mélange.

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