Peut-on faire geler une bulle de savon ?
Zoé MORIN Mathilde HAMELIN Rémi DEFORGE
Professeur encadrant : Patrice MICHEL
Lycée Douanier Rousseau-LAVAL (53)
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SOMMAIRE
Résumé-Introduction
I- | | Qu’est -ce qu’une bulle de savon ? |
II- | | Peut-on faire geler une bulle de savon ? |
III- | | Comment mesurer la température ? |
IV- | | A quelle température gèle une bulle ? |
V- | | C’est parti ! |
VI- | | Comment éclairer une bulle pour l’observer ? |
VII- | | Vers un nouveau dispositif |
| 1- | Quel dispositif ? |
| 2- | Le dispositif d’essai « température ordinaire » |
| 3- | D’où viennent les couleurs ? |
| 4- | Comment réaliser une extension à un congélateur ? |
VIII- | | Nos premières belles observations ! |
| | Conclusion-Annexes |
Zoé
Mathilde
Rémi
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Résumé
Inspirés par le visionnage de courtes vidéos sur internet, où nous pouvons assister au spectacle magnifique du gel de bulles de savon dans des régions froides telles que le Jura ou le Canada, nous nous sommes lancé un défi
: Peut-on faire geler une bulle de savon ? La réponse est oui, bien sûr…mais à Laval (53) où la température ne chute que rarement en dessous de 0°C ? La réponse devient alors bien moins évidente. Un congélateur nous est indispensable bien sûr, mais peu adapté pour l’observation de la formation des cristaux. Nous avons imaginé et mis progressivement en place des dispositifs expérimentaux afin d'observer ce phénomène dans de bonnes conditions, ce qui nous a amené à nous poser de nombreuses questions sur la mesure de la température, sur l’éclairage d’une bulle de savon et bien d’autres questions encore. Après 18 mois de travail et de recherche, notre dispositif actuel nous permet à la fois d’observer le gel des bulles, d’en admirer la beauté…mais aussi de commencer à en étudier la physique. Ce travail s’annonce d’autant plus motivant que seule une équipe de chercheurs américains en 2019 a réalisé une telle étude. Nous échangeons désormais avec l’un d’entre eux !
Notre lien pour accéder à notre vidéo présentant notre projet :
https://www.youtube.com/watch?v=WFi6U9oReDA
ou accessible sur notre site internet :
https://www.ateliersciencerousseau.fr/peut-on-geler-une-bulle-de-savon
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Introduction
L’idée de ce projet nous est venue après le visionnage par hasard d’une vidéo montrant le gel d’une bulle de savon en pleine nature, donc dans des conditions idéales puisque cette vidéo a été tournée en extérieur au Canada, où l’air atteint des températures très basses. Par ailleurs, au lycée, il y a des photos de bulles colorées, photos prises par un groupe d’anciens élèves du lycée ayant travaillé sur les couleurs des bulles de savon. Pourquoi ne pas prolonger leur projet 9 ans après, s’en inspirer pour aller au-delà ou plutôt bien en dessous pour parler de la température ?
Peut-on faire faire geler une bulle de savon et observer la formation des cristaux dans notre laboratoire au lycée ?
En septembre 2020, en pleine crise sanitaire, nous avons relevé le défi de geler une bulle de savon dans notre lycée à Laval, en Mayenne...où entre deux averses, la température descend rarement en dessous de 0°C. Ce n’est donc pas aussi simple qu’il n’y parait. Par ailleurs, les confinements, les semaines alternées, et le fait d’être répartis dans quatre classes différentes n’ont pas favorisé notre travail en équipe. Heureusement, avoir un local réservé spécifiquement pour notre projet nous permet de nous y retrouver et d’y travailler encadrés par M. MICHEL dès que nous le pouvons : pause déjeuner, heures de permanence ou libérées, après les cours le soir pour notamment ceux d’entre nous qui sont internes à l’établissement, le mercredi après-midi et quelques jours de vacances.
Notre projet a été dès le départ très motivant et nous nous sommes bien réparti le travail tout en informant toujours l’ensemble du groupe des difficultés ou des avancées : les premières bulles non gelées étaient déjà très esthétiques tout comme les premières bulles gelées que nous avons pu observer. Par ailleurs, ce qui nous a beaucoup motivés est la part importante de recherche dans ce projet et son aspect innovant car d’après un article de Science et Vie [1], le gel d’une bulle de savon n’a jamais été étudié par des chercheurs professionnels, excepté par une équipe américaine [6].
Après plus d’un an d’essais, de nombreuses interrogations, de problèmes et d’échecs…mais heureusement aussi des réussites, nous avons présenté notre projet au Village des Sciences de la fête de la science le week-end du 2 et 3 octobre 2021, puis l’avons présenté au concours des olympiades de Physique où nous avons eu le plaisir d’être récompensés lors de la finale nationale par un premier prix. Nous avons lors de ces manifestations, reçu de nombreux conseils et encouragements.
Voici notre histoire et nos avancées à ce jour…Nous vous souhaitons une bonne lecture !
D’après site internet
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I- Qu’est-ce qu’une bulle de savon ?
(Septembre 2020)
La paroi d’une bulle de savon est composée d’une fine couche d’eau, elle-même encadrée de deux couches mono-moléculaires de savon. Ces molécules sont composées de deux parties : une tête hydrophile qui est donc « attirée » par l’eau et une queue hydrophobe qui la fuit (voir figure 1). Ces queues hydrophobes sont donc immergées dans l’air.
La bulle est un objet fragile et éphémère. Nous avons pu en répertorier les raisons : fragile car la moindre poussière peut la faire exploser en désorganisant la structure en trois couches du film. Également, l’objet étant très léger, les mouvements d’air peuvent la déformer et conduire à son éclatement.
Même en veillant à protéger la bulle des mouvements d’air et des poussières, elle sera forcément éphémère pour deux raisons selon nous. La première est que le rapport surface/volume du film d’eau savonneuse est très important ce qui favorise une rapide évaporation de l’eau. Ensuite, la gravité entraîne vers le bas la couche d’eau prisonnière des deux couches mono-moléculaires de savon. Fatalement la bulle à son sommet devient très fine et elle finit par éclater.
Pour limiter ces deux derniers effets, on peut ajouter du sucre pour limiter l’évaporation ainsi que de la glycérine, espèce miscible à l’eau mais très visqueuse ce qui ralentit le drainage c'est-à-dire la descente de la couche d’eau vers le bas. Autant nous avons pu suivre ces préconisations pour des bulles à température ordinaire, autant nous pensons qu’il faudra peut-être y réfléchir davantage lors de l’étude du gel des bulles.
II- Peut-on faire geler une bulle de savon ?
(Septembre-octobre 2020)
La réponse est oui bien sûr ! Les photos ainsi que les quelques vidéos publiées sur internet en attestent. Les conditions de température dans lesquelles ces vidéos ont été tournées sont idéales car très froides. Faire geler une bulle de savon dans les mêmes conditions en Mayenne semble bien plus difficile. Profitant d’un court épisode neigeux fin 2020, nous nous y sommes essayés mais cela n’a donné aucun résultat concluant, les températures de la neige et de l’air que nous avons mesurées étant trop peu inférieures à 0°C.
En fait, dès le début du projet, nous avons songé à utiliser un congélateur pour atteindre des basses températures en commençant par ceux de nos parents, avant que M. Michel n’achète pour notre projet un petit congélateur de 32 L. Nos premiers essais consistaient à ouvrir la porte du congélateur, d’y déposer au fond une bulle (une demi-bulle donc), et de refermer délicatement la porte. Lorsqu’ on réouvrait celle-ci quelques temps après, la bulle était gelée sur le pourtour mais éclatée sur sa partie haute. Nous savions qu’il s’était produit quelque chose comme on peut le voir sur la figure 2. Rarement en ouvrant la porte, nous avons pu observer quelques fractions de secondes la demi-bulle entièrement gelée.
(b)
Figure 1 : schéma de la structure d’une bulle de savon
Figure 2 : Demi-bulle déposée sur le fond d’un congélateur (a) juste après le dépôt et (b) après quelques heures et ouverture de la porte.
(a)
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Ces premiers essais ont été assez rapides mais frustrants, car nous ne pouvions pas observer la formation du gel et donc encore moins l’étudier. Nous avons songé enfermer dans le congélateur sources de lumière et caméra, mais pouvoir observer le phénomène directement à l’œil nu nous semblait plus motivant et, à priori moins difficile à mettre en œuvre. Nous avons alors imaginé remplacer la porte du congélateur par une porte vitrée, travail que nous décrivons un peu plus loin, dans le paragraphe V car nous nous sommes posés en parallèle les deux questions suivantes : Comment mesurer une température ? et A quelle température gèle une bulle de savon ?
Voici, dès à présent, nos réponses à ces questions.
III. Comment mesurer une température ?
(Octobre 2020 –mars 2021)
Nous avons bien évidemment considéré dès le début du projet que la température était un facteur important. Nous avons donc cherché comment la mesurer efficacement et précisément dans notre congélateur et ce à différents endroits de celui-ci. Pour cela nous avons pensé au thermomètre à alcool mais il est vite apparu que ce n’était pas la solution idéale. En effet, il est trop encombrant et enfermé à l’intérieur du congélateur, nous risquons de rencontrer des difficultés pour relever les valeurs de température, notamment à cause de la buée.
Il nous fallait donc trouver une meilleure solution.
M. Michel nous a alors proposé de nous intéresser au thermocouple, il se trouve que nous avons depuis longtemps au lycée des thermocouples qui ne sont pas utilisés. D’après le préparateur, ils ont été reçus gratuitement avec un lot de multimètres possédant un mode température.
Nous nous sommes donc intéressés au thermocouple : sa composition, son fonctionnement. Nos recherches nous ont appris qu’il s’agissait en fait d’un capteur de température constitué de deux fils de matériaux conducteurs différents. Il en existe plusieurs types qui sont définit par les matériaux qu’ils contiennent. Les nôtres sont de type K et ils contiennent donc, d’après le tableau 1, un fil en alliage d’Alumel et un fil en alliage de Chromel.
Ces deux fils sont soudés entre eux a une extrémité qu’on appelle la soudure chaude et soudés séparément aux autres extrémités, qu’on appelle soudures froides (voir fig3). L’avantage du thermocouple est qu’il est robuste et très peu encombrant ce qui nous a permis, en utilisant autant de thermocouples que nécessaire, d’espérer mesurer les températures à de nombreux endroits du congélateur sans trop de difficulté.
Nous les avons branchés avec les multimètres avec lesquels ils étaient livrés. Les températures s’affichent au degré près et on ne peut relier qu’un seul thermocouple par multimètre. Pour mesurer la température à différents endroits il faut donc autant de multimètres ce qui ne fait pas la joie du préparateur technique du lycée car nous monopolisons le matériel. Par ailleurs c’est pour nous très vite encombrant comme on le voit sur la photographie ci-jointe !
Avec 8 multimètres !
Mais alors comment peut-on utiliser nos thermocouples sans les multimètres ?
Tableau 1 : d’après site internet [2]
soudures
« froides »
U
Soudure
« chaude »
Chromel
Alumel
cuivre
cuivre
Figure 3 : schéma du thermocouple que nous utilisons
6
Figure 4 : Test de notre montage électronique lors de l’ouverture et de la fermeture de la porte du congélateur
Ce premier essai nous a permis de prendre conscience des avantages que nous pouvons tirer de l’utilisation des thermocouples. Nous pouvons placer de nombreux thermocouples dans le congélateur à des endroits précis, suivre l’évolution des températures au cours du temps sur un écran et sans grand efforts ! La carte d’acquisition le permet et notre plaque de montage électronique peut accueillir de nombreux montages. Fini donc la « multitude » de multimètres qui encombrent notre espace de travail !
Mais notre logiciel Latispro nous donne une courbe d’évolution de la tension au cours du temps or c’est la température qui nous intéresse. Il nous faut convertir cette courbe en une courbe d’évolution de la température au cours du temps et il nous faut donc trouver la relation entre la tension et la température.
t (en s)
Porte fermée
Porte fermée
Ouverture de la porte
Nous avons réfléchi à cette question pendant quelques temps et nous avons fini par trouver une solution. Le multimètre mesure avant tout une tension à ses bornes et non pas une température. On peut donc tout à fait imaginer récupérer cette tension pour l’exploiter nous-mêmes, et c’est ce que nous avons fait.
Nous avons mesuré la tension aux bornes du thermocouple. Même pour une différence de températures entre la soudure chaude et les soudures froides d’une dizaine de degrés, cette tension est très faible, de l’ordre de quelques
dixièmes de Volt seulement ! Il nous faut donc amplifier cette tension pour qu’elle soit plus facilement mesurable.
Nous avons donc dû apprendre à réaliser des montages électroniques en nous aidant notamment de sites sur internet ([3]) et en utilisant des circuits intégrés AOP (Amplificateur OPérationnel). Etant en lycée général, ce fut une découverte pour nous.
Nous avons logiquement réalisé un montage amplificateur non inverseur. En fait nous en avons mis deux à la suite pour procéder en deux temps et éviter d’appliquer un facteur d’amplification trop grand pour un seul montage AOP ce qui n’est pas recommandé. Le choix des résistances du montage permet d’ajuster le facteur d’amplification que nous connaissons donc. Le signal amplifié est envoyé à une carte d’acquisition et nous pouvons afficher la tension à l’aide du logiciel Latispro.
Nous avons voulu tester notre montage en plaçant l’extrémité de notre thermocouple à l’intérieur du congélateur à -18°C. Nous avons ouvert le congélateur quelques secondes puis l’avons refermé pour simuler une intervention : observation, prise de photo, mise en place d’une bulle etc… L’opération d’ouverture et de fermeture a duré une dizaine de secondes.
Sans surprise et conformément à nos premiers constats (paragraphe II), nous constatons une évolution de la température rapide à l’ouverture de la porte car l’air se réchauffe rapidement. Une fois celle-ci refermée la température redescend très lentement (voir la figure 4). Cela confirme, si besoin était, la nécessité d’observer à travers une porte transparente et d’agir à l’intérieur du congélateur sans ouverture de celle-ci !
U (en V)
Circuit électronique Amplificateur (×8380)
Carte d’acquisition
7
Nous avons relevé les valeurs des tensions pour différentes température de la « soudure chaude » en réalisant le montage de la figure 5 suivante :
La relation entre la tension amplifiée et la différence de température est affine. Le coefficient directeur s’exprime
en Volt par degré Celsius (V°C-1) et représente la tension pour une différence de température de 1°C.
Nous connaissons notre facteur d’amplification (×8380) et nous pouvons donc estimer qu’avant amplification pour une différence de température de 1°C, la tension aux bornes du thermocouple est 0,3521/8380= 4,20.10-5 V soit 42,0.10-6V =42,0 μV.
Eau
Thermomètre
Montage amplificateur
Voltmètre
Plaque chauffante
Figure 5 : Schéma du montage permettant de trouver la relation entre la température la tension
L’extrémité du thermocouple est plongée dans de l’eau dont on augmente la température progressivement à l’aide d’une plaque chauffante. On note pour chaque valeur de
température θ1, jusqu’à environ 70°C, la valeur de la tension amplifiée. Il nous faut bien relever également la
température θ2 des « soudures froides » à savoir la température de l’air ambiant que nous mesurons avec des thermomètres électroniques (en fait plusieurs pour faire la moyenne des valeurs mesurées). Nous avons tracé la
courbe U=f(θ2-θ1) représentée sur la figure 6 ci-dessous.
Figure 6 : Evolution de la tension aux bornes du thermocouple en fonction de la différence de température
8
Lors de nos essais sans amplification et pour une différence de température d’une dizaine de degrés, la tension devait donc être égale à 0,42 mV, tension effectivement très faible et difficile à mesurer précisément ! En recherchant sur internet, nous avons pu découvrir les courbes attendues pour différents types de thermocouple. Elles sont toutes linéaires contrairement à la nôtre. L’ordonnée à l’origine de notre courbe nous a donc surpris. Nous avons cherché longuement les raisons de cette tension affichée. Même lorsque la « soudure chaude » était placée près des « soudures froides » et donc à la même température, cette tension persistait ! Après des semaines et un peu par hasard, nous avons fini par trouver la raison de ce décalage. En remplaçant un AOP 84 par un autre, sans rien modifier de notre montage, nous avons constaté que la valeur du décalage était différente. En regardant sur internet nous avons ainsi appris que de tels circuits intégrés sont susceptibles de générer une petite tension résiduelle (« offset »), faible mais qui amplifiée devient non négligeable et décale notre droite. Comment remédier à ce problème ? Nous avons ajouté après nos deux montages amplificateurs, un montage AOP sommateur non inverseur permettant d’ajouter une tension à la tension amplifiée. La tension ajoutée doit être réglable car elle doit être différente selon l’AOP84 utilisé.
Finalement, notre montage est celui schématisé à la figure 7 suivante :
inverseur est ici 1 +
100kΩ
Figure 7 : Schéma du montage électronique permettant d’exploiter l’un de nos thermocouples.
Le condensateur placé dans le premier montage sous les conseils de M.Michel, nous permet de supprimer une bonne partie des signaux parasites. Le facteur d’amplification pour le premier montage amplificateur non
1kΩ
soit 101.
Connaissant désormais la relation entre tension et différence de température, nous pouvons une fois la courbe tracée, la transférer sur Excel et réaliser le calcul de la température θ2.
En effet U = 0,3521 (θ2 − θ1) − 1,092 ⇔ θ2 = θ1
+ U+1,092
0,3251
Et plus simplement depuis que nous avons installé le montage sommateur : θ2 = θ1 +
U
0,3251
Pour autant ce travail est un peu fastidieux et dans l’idéal nous souhaitons lire directement et en continu la valeur de la température sur la fenêtre du logiciel Latispro. Sur cette fenêtre ne peut apparaître en ordonnée qu’une tension. Nous avons donc essayé d’être astucieux.
Que souhaitons-nous dans l’idéal ? Que pour une température θ2 = O°C, la tension Usortie soit nulle et que, pour la température dans le congélateur au minimum de -16°C, la tension sera égale à -16V !
Deux difficultés :
La carte d’acquisition limite la tension entre +10 et -10 V. Nous devons donc choisir une échelle autre que 1V↔1°C, par exemple 1V↔2°C. Ainsi, pour une température égale à -16°C, la valeur de la tension doit être égale à -8,0V. Connaissant la sensibilité de notre thermocouple (soit 42,0 μV/°C), nous pouvons modifier la valeur de
Usortie
-
+
-
+
1kΩ
100 kΩ
-
+
1kΩ
-
+
1MΩ
1MΩ
10kΩ
+15 V
Suiveur de tension
Amplificateur non inverseur 1
Diviseur de tension
Sommateur non inverseur
Amplificateur non inverseur 2
0-10OkΩ
Uth
1MΩ
1M
9
l’amplification de notre montage électronique et choisir le facteur d’amplification A tel que 8,0 (V) =A× 42.10-6(V/°C)
× 16(°C),
A =
8
16×42.10−6
= 11 905 …ce qui est réalisable en choisissant les valeurs de nos résistances
Autre difficulté : la tension dépend de la différence de température (θ2 − θ1), or θ1≈18°C. Si l’extrémité du thermocouple est dans le congélateur, la différence de température peut atteindre près de 40°C et donc la tension amplifiée peut-être égale à ≈ – 40×42.10-6×11905 soit ≈-20 V ! La carte d’acquisition, limitée à -10V, sature. Nous remédions à ce problème à l’aide de notre montage sommateur, pour remonter cette tension !
Concrètement, nous procédons ainsi :
Notre montage AOP sommateur présente alors une double utilité. Il permet à la fois d’annuler le problème de l’offset évoqué plus haut et de décaler la tension de telle manière à ce que pour une température de 0°C, la tension visualisée par le logiciel d’acquisition soit de 0V.
Nous visualisons désormais à un facteur 2 mais en direct, l’évolution au cours du temps de la température à
l’emplacement de l’extrémité du thermocouple ! Si la valeur de la tension est -6,3V la température est -12,6°C etc…
Notre objectif est atteint et nous pouvons exploiter nos thermocouples.
IV. A quelle température gèle une bulle de savon ?
(Novembre 2020- mars2021)
On sait que l’eau pure se solidifie à 0°C. Mais notre bulle n’est pas constituée d’eau pure, c’est un mélange d’eau et de molécules tensioactives, voire de glycérine. Nous nous sommes donc posé la question : « A quelle température l’eau savonneuse va-t-elle se solidifier ? A 0°C ? Moins de 0°C ? Plus ? »
Nous avons voulu répondre à cette question en traçant la courbe d’évolution au cours du temps de la température de l’eau savonneuse lors de son refroidissement. Pour mettre au point un protocole et vérifier que le thermocouple associé au montage électronique était opérationnel, nous avons commencé par placer sur un agitateur magnétique et dans un petit erlenmeyer, 50 ml d’eau distillée, dans laquelle nous avons plongé l’extrémité du thermocouple. Nous avons placé l’ensemble dans le congélateur à -16°C.
Nous nous attendions naturellement à constater la diminution de la température de l’eau. Pourtant, elle a évolué de 17° à 23° au bout de 33 min ! De l’eau dont la température augmente lors de son refroidissement défiait toutes les lois de la physique…et du bon sens ! Nous avons décidé d’arrêter l’agitation en pensant que le turbulent faussait les mesures, mais malgré cela, la température n’a pas cessé d’augmenter ! Nous avons retiré l’erlenmeyer du congélateur et l’eau était bien froide au toucher ! Nous avons changé le multimètre relié au thermocouple qui nous donnait la température (le dispositif électronique n’était pas encore prêt) mais en vain…il ne nous restait plus qu’à douter du thermocouple lui-même. Nous en avons conclu que le problème provenait d’un dysfonctionnement de ce dernier. Nous nous sommes aperçus que contrairement à d’autres, l'extrémité ne possédait pas de scotch isolant protégeant la soudure. Nous avons supposé que plongé dans l’eau il peut y avoir un court-circuit à ce niveau. Alors nous avons séché l’extrémité, ajouté un peu de scotch pour l’isoler, ce qui a réglé notre problème.
Nous avons parlé de notre mésaventure avec notre partenaire M.Bulou qui nous a confirmé (voir l’annexe 1) l’importance d’isoler électriquement l’extrémité du thermocouple pour éviter des courts circuits. Il nous a même conseillé d’utiliser pour l’isolation du vernis à ongle, conseil que nous avons suivi. Tant que nous étions dans l’air, ce manque d’isolation était à priori sans conséquence, mais dans l’eau il y a conduction électrique entre les deux fils sans doute mal isolés avant la soudure « chaude ».
10
Nous avons alors refait l'expérience et constaté cette fois-ci l’abaissement de la température de l’eau jusqu'à 0°C. Nous avons vu alors apparaître des cristaux de glace, mais la solidification de la totalité de l’eau était trop longue, entretemps nous avons dû retourner en cours. A notre retour à l’atelier on s’est rendu compte que la solidification n’était pas complète et donc finalement très longue… au-delà de2h !
Ces différents petits problèmes et nos observations nous ont permis de mettre au point le protocole suivant :
Nous avons utilisé deux petites cuves qui contiennent environ 1 ml seulement d’eau pure pour l’une et environ 1mL seulement d’eau savonneuse pour l’autre (voir figure 8). Nous avons respecté notre protocole précédent et il nous restait à suivre sur le logiciel Latispro l’évolution de la tension au cours du temps. Par la suite, connaissant la relation entre la température et la tension à la sortie de notre montage, nous avons tracé la courbe d’évolution de la température au cours du temps pour les deux liquides à l’aide d’un tableur Excel. Notre travail sur le thermocouple et le traitement du signal n’était pas tout à fait terminé. Nous ignorions encore l’origine de la présence du décalage de notre
2 1
courbe. Nous avons donc utilisé l’expression : θ = θ +
U+1,092
0,3251
Nous obtenons (voir la figure 9) pour l’eau pure lors du refroidissement un phénomène de surfusion très net, phénomène que nous avons découvert à cette occasion. Nous observons un palier un peu en dessous de 0°C. M.Bulou nous a dit qu’il était préférable en raison du phénomène de surfusion de procéder à la solidification de l’eau pour laquelle la température sera toujours égale à 0°C.Effectivement en réchauffant l’eau pure gelée (il suffit pour cela de sortir notre petite cuve « gelée » du congélateur) la courbe présente un palier à 0,1°C !
Figure 9 : Evolution de la température de l’eau lors de son refroidissement(a) ou de son réchauffement (b).
Ce travail préliminaire nous a permis, hormis de découvrir le phénomène de surfusion, de confirmer notre bonne utilisation du thermocouple. Nous pouvons donc analyser la courbe obtenue cette fois-ci pour notre eau savonneuse à la page suivante.
Sans grande surprise, comme on peut le constater à la figure 10, la température de fusion et donc de solidification de l’eau savonneuse est négative. Nous la mesurons à -3,0°C. Pour autant nous pouvons avoir quelques doutes sur la valeur de la température à laquelle la bulle gèlera. En effet dans une bulle, la surface liquide-air est très importante et l’organisation des molécules tensioactives est différente de celle dans notre cuve. Cette différence d’organisation a-t-elle une influence sur la température de solidification ? Nous l’ignorons pour l’instant.
-10
-15
15
10
5
0
-200
-5
300
800
1300
θ en °C Eau pure-réchauffement (b)
-10
-15
15
10
5
20
0
-200
-5
300
800
1300
t (en s)
θ en °C Eau pure-refroidissement (a)
Figure 8 : Nos thermocouples dans les cuves
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V. C’est parti ...
(Octobre 2020- juin 2021)
Lors de nos premiers essais (paragraphe II), nous avions une porte classique de congélateur. Nous ne pouvions pas observer ce qu’il se passait à l’intérieur. Nous avons donc très vite cherché à réaliser une porte transparente. Nous avons choisi des tubes de PVC carrés et du plexiglas pour concevoir cette nouvelle porte. Ce sont des matériaux peu chers, faciles à travailler (découper, percer), mais surtout, ce qui nous intéresse le plus, ce sont selon nous de bons isolants thermiques car ce sont les matériaux traditionnellement utilisés pour les menuiseries. Avec les tubes carrés, nous avons réalisé un cadre sur lequel nous avons pu adapter le joint magnétique de la porte d’origine. Nous avons ensuite fait un double vitrage avec deux plaques de plexiglas, en les collants bien fermement afin de bien enfermer l’air entre les plaques. L’air est en effet l’un des meilleurs isolants thermique …ce qui est une bonne nouvelle pour nous car il est gratuit !
Cette porte n’est pas restée intacte très longtemps. Nous avons très vite dû ajouter des gants dans la partie inférieure pour pouvoir accéder à l’intérieur du congélateur depuis l’extérieur sans avoir à ouvrir la porte.
Nous avions utilité des gants notamment pour placer la solution savonneuse au niveau du tube et pouvoir former la bulle. En effet comme nous l’avons montré précédemment, l’ouverture de la porte provoque l’éclatement immédiat de la bulle à causes des courants d’air et surtout un réchauffement très rapide de l’air intérieur.
0
5
10
0
200
400
600
800
θ en °C
temps (en s)
Réchauffemement et fusion de l'eau savonneuse
-5
-10
-15
Figure 10 : Evolution de la température de notre eau savonneuse lors de son réchauffement.
-3,0°C
11.a Un trou difficile à réaliser 11.b Nos gants 11.c La porte terminée
Nous avons collé des gants et isolé le tout avec de la mousse expansive (voir figure 11.a et 11.b). Sur la photo de la figure 11.c, on peut voir la version finale de notre porte transparente. À droite entouré en rouge, on aperçoit le
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Arrivées d’air et d’eau savonneuse
(Tubes isolés)
Ventilation
Lampe led
Thermocouple
Support du tube
trou pour faire passer tous les câbles d’alimentation des lampes, des ventilateurs, les fils des thermocouples mais également les tuyaux des arrivées de fluides : eau savonneuse et air (pour gonfler la bulle).
Et l’aménagement intérieur ?
Il fut très compliqué, car nous avions beaucoup de chose à mettre dans un petit espace de 32L. On aperçoit ci- dessous (figure 12) que l’aménagement intérieur n’est vraiment pas optimal. Dès que nous voulions déplacer quelque chose il fallait faire attention à ce que cela ne déstabilise pas l’ensemble. Bref c’était un peu galère. Nous nous sommes également rendu compte que la température dans le congélateur n’était pas la même partout. Elle est plus basse en bas qu’en haut. Les ventilateurs étaient donc également indispensables.
Fond noir
Figure 12 : Installation de l’intérieur de notre congélateur
Observation des premiers cristaux
Cette installation effectuée, nous avons commencé à observer et photographier des cristaux à travers notre porte (voir figure 13). Il fallait vraiment être très attentif car ils étaient très petits. De plus l’éclairage ne permettait pas d’avoir une vision d’ensemble, la lumière étant localisée sur certaines parties de la bulle. Nous avons observé que parfois les cristaux se formaient en bas de la bulle et remontaient. Nous avons aussi observé plusieurs formes de cristaux qui selon nous dépendent de la température et peut-être du degré d’humidité à l’intérieur du congélateur. Parfois nous constations que la bulle était gelée sans avoir pu observer la formation des cristaux ! Il fallait donc être attentif.
Figure 13 : Photographies de nos premiers cristaux à travers la porte de notre congélateur
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VI - Comment éclairer une bulle pour l’observer ? (Septembre 2021- novembre 2021)
Les difficultés d’observation évoquées au paragraphe précédent nous ont amené à cette question !
Une bulle est très fragile, forcément éphémère, parfois en mouvement et surtout… transparente. Ce n’est donc pas un objet facile à observer et à étudier. Que fait un rayon lumineux lorsqu’il arrive sur la surface de la bulle, comme sur la figure 14 ? Il se divise en deux parties : la partie réfléchie et la partie réfractée. Cette dernière arrive sur la deuxième surface et se divise en deux aussi. La partie réfléchie peut alors être réfractée dans l’air ou alors être réfléchie etc…etc… Bref, un seul rayon se divise en une infinité de rayons de directions différentes, ce qui devient évidemment très complexe !
dioptre 1
dioptre2
Rayons réfléchis sur le dioptre 2
(Rayon 2)
Rayon réfléchi sur le dioptre 1 (rayon 1)
Rayon incident
Rayon ayant traversé la lame après une double réfraction
(rayon3)
Figure 14 : Parcours d’un rayon incident à son arrivé sur une bulle. L’épaisseur de la lame d’eau savonneuse est très exagérée.
Alors que voit-on ?
Dans le congélateur, nous avons introduit des lampes LED carrées de 20 cm de côté, pas très épaisses et donc assez peu encombrantes. Ces lampes par ailleurs ne chauffent pas trop ce qui est important car nous les enfermons dans un congélateur (!), et possèdent des films émettant une lumière très diffuse. Nous avons parfois introduit deux lampes de ce type. Une pour un éclairage latéral et l’autre pour un éclairage vertical. Compte tenu du peu d’espace que nous avions, nous étions condamnés à approcher nos sources de lumière de la bulle. Nous ne pouvions pas comme dans la nature avoir une lumière très diffuse provenant de nombreux objets diffusants parfois lointains.
Nous observons de nombreux reflets. Les contours de la bulle ne sont pas nets, mais finalement sur nos bulles ce sont les images de nos sources de lumière, qui semblent les plus intenses. Nous les observons toujours plus petites que ne le sont nos lampes.
Un article [4] que nous a conseillé M.Michel nous « éclaire » sur ce qui se passe. Nous n’avons pas tout compris de cet article mais visiblement l’énergie lumineuse incidente est essentiellement réparties sur les deux premiers rayons réfléchis de la première lame d’eau savonneuse (rayon 1 et 2 de la figure 14) et sur celui transmis après deux réfractions (rayon 3). Les autres rayons réfléchis par la première lame d’eau savonneuse sont d’après cet article d’intensité très faible.
Figure 15 : Bulle de savon éclairée par deux panneaux Led
14
Nous pensons donc pouvoir admettre que la surface de la bulle se comporte comme un miroir réfléchissant le rayon incident. Nous nous sommes donc intéressés aux miroirs sphériques, en commençant par lire des ouvrages qui traitent entre autres de ces miroirs [5].
Nous avons alors appris que la forme convexe du miroir permet la formation d’une image virtuelle d’un objet AB, située entre le centre de courbure C du miroir et son sommet S. C’est la raison pour laquelle nous voyons l’image d’une lampe au sein de la bulle. Cette image est un peu frustrante car nous avons pris goût au spectacle des couleurs et nous aimerions que la bulle soit uniformément éclairée avec des contours nets, éclairage qui ne pourrait que favoriser l’observation des cristaux se formant sur la fine pellicule d’eau située à la surface de la bulle justement.
Afin de prévoir la meilleure disposition possible pour nos sources d’éclairage pour tenter d’y parvenir, nous avons
reproduit la situation par simulation à l’aide du logiciel Géogébra, un logiciel gratuit que nous utilisons au lycée.
Pour réaliser cette simulation (voir figure 16), nous avons construit les rayons dits particuliers provenant de B et dont on connaît le trajet lorsqu’ils atteignent le « miroir ». Tous les rayons provenant de B et réfléchis par la surface semblent provenir de B’. Nous avons voulu en réalisant cette simulation mettre en évidence l’influence des variations du rayon de la bulle, de la position de l’objet (notre lampe) ainsi que sa dimension sur la position de l’image et sa taille. Nous avons adopté les valeurs de sorte qu’elles représentent au mieux la réalité (rayon de la bulle réglable de 1 cm à 6 cm, distance bulle-objet réglable de 0 cm à 15 cm par exemple)
Figure 16 : Aperçu de notre simulation sur Géogébra (en rouge les rayons incidents et en bleu les rayons réfléchis)
Pour une bulle donnée, plus on approche l’objet (notre lampe) de la bulle, plus l’image est grande et proche de la surface. Inversement, plus on l’éloigne plus elle est petite et se rapproche du foyer.
Plus la taille de l’objet est grande, plus l’image est grande. Dans tous les cas, l’image A’B’ de notre objet est toujours droite et virtuelle.
Quand l’objet est petit devant la bulle ou éloigné de celle-ci, on constate que les rayons issus de B et réfléchis semblent provenir d’un point B’, mais lorsqu’on agrandit l’objet qui devient grand devant la bulle, les rayons réfléchis ne se croisent plus en B’, mais semble provenir d’une petite zone. L’image de B sera alors floue, ce qui signifie que les contours de notre image de la lampe seront flous. Nous venons de découvrir les conditions de Gauss.
Quelles leçons tirer de cette simulation ?
Pour que les contours de la bulle soient bien éclairés, nous avons intérêt à approcher nos sources de lumière de celle-ci. Pour que les bords d’image soient nets, peut-être faut-il un objet lumineux sans bords !
L’idée d’un tunnel lumineux est ainsi née !
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VII. Vers un nouveau dispositif...
(Septembre-décembre 2021)
1. Quel dispositif ?
Nous nous sommes résolus à « sortir » la bulle du congélateur pour améliorer son éclairage et trouver le bon dispositif qui nous permettra les meilleures observations. Nous devons répondre à de nombreuses contraintes :
Nous avons mis alors en place à l’atelier deux dispositifs mis chacun à l’essai (voir figure 17) :
Le premier dispositif doit permettre, à température ordinaire, de parfaire l’éclairage, l’observation et la prise photographique des bulles. Le second dispositif consiste à tester la possibilité d’une extension au congélateur qui s'est imposée sous la forme d'un tube d'une quinzaine de centimètres de diamètre.
Nous espérions alors la mise au point progressive de ces deux dispositifs et si nous y parvenions pouvoir les
« coupler » afin de répondre à tous nos objectifs.
Figure 17 : Dans notre atelier…
2. Le dispositif d’essai « température ordinaire »
L’intérêt d’un éclairage extérieur au congélateur est qu’il nous permet d’avoir une bien meilleure maîtrise de celui-ci : distance, intensité lumineuse, orientation. Nous pouvons imaginer par exemple n’éclairer que d’un seul côté, ce qui sera peut-être une possibilité intéressante pour observer la formation des cristaux.
Pour construire notre tunnel, nous avons choisi du plexiglas translucide blanc, car ce matériau nous permet d'obtenir une lumière la plus diffuse et homogène possible.
Nous avons repris scie, perceuse etc… pour le construire en utilisant des supports en PVC. Notre tunnel lumineux était prêt pour notre participation au village des sciences de la Fête de la science au mois d’octobre dernier.
Pour le fond noir, nous étions toujours déçus par ceux que nous utilisions dans le congélateur car il diffusait toujours trop de lumière selon nous. Nous avons fait beaucoup de tests pour trouver le matériau capable d'absorber au maximum la lumière et faire ressortir au mieux la bulle et ses couleurs.
Nous avons essayé différentes peintures, différents tissus, cartons peints. A chaque fois, le fond n’était pas parfaitement noir sur nos photos. La diffusion de la lumière n’y est pas nulle tout comme la réflexion. Pour éviter cette dernière nous avons voulu donner à nos écrans la forme d’une surface anéchoïque, tout comme la surface d’une chambre du même nom utilisé en acoustique ! Par la forme de la surface, les ondes réfléchis le sont vers l’intérieur. Nous avons donc commencé à peindre des boites d’œufs. Le résultat était meilleur mais pas encore parfait. En échangeant, nous nous sommes fait la réflexion que le meilleur des écrans noirs était finalement… l’absence d’écran !
Dispositif
« Température ordinaire »
Dispositif
« Test de refroidissement d’extension »
16
En effet qu’y a-t-il de plus noir que l’entrée d’un tunnel routier non éclairé ? Nous avons donc repris le modèle et percé un trou dans une grande boite en carton profonde d’une soixantaine de centimètres. Nous y avons disposé du tissu noir selon la figure 18 ci-contre. Cette fois-ci, le résultat a été tout à fait conforme à nos espérances. Désormais, même encombrant, nous adoptons ce « fond noir » !
Et parfois des « artistiques ». (Nous savons comment procéder pour les obtenir) …
Voici quelques-unes de nos photographies préférées :
Tissu noir
Figure 18 Notre fond noir !
Notre tunnel lumineux !
Au fond la grande boîte en carton « fond noir » !
Avec nos portables ou un appareil photographique réflex, nous avons et prenons encore beaucoup de plaisir à photographier ces bulles et à admirer les couleurs… Nous en avons pris sans doute quelques centaines. La longueur du tunnel doit être suffisante si l’on veut un éclairage homogène sur le devant de la bulle. Par ailleurs nous avons constaté qu’il est difficile de faire la mise au point sur l’ensemble de la bulle. Soit les contours sont nets, soit les turbulences au centre de la bulle et donc plus proche de nos appareils photos sont nets. Notre profondeur de champ est donc insuffisante et nous allons devoir progresser également en photographie !
17
3. D’où viennent les couleurs ?
Lors du week-end de la « fête de la science » auquel nous avons participé début octobre 2021, nous avons eu beaucoup de visiteurs sur notre stand, souvent sensibles à « nos bulles » et des questions autour de l’origine des couleurs revenaient sans cesse :« elles sont artificielles vos bulles ? », « vous avez mis du colorant dans vos bulles ?
» …
En effet, nos bulles prenant des teintes éclatantes, le « grand public » habitué à voir des bulles plus sobres et transparentes pensait que ces couleurs venaient de notre produit à bulle, ce dernier prenant une teinte verte quand son volume est important.
Pour leur prouver le contraire, nous leur montrions une bulle hors de notre dispositif d'éclairage avec évidemment le même mélange… et les couleurs apparaissaient alors beaucoup moins éclatantes mettant ainsi en évidence l’importance de l’éclairage. Notre démonstration a été convaincante, mais en utilisant notre cours de physique- nous pouvons, pour aller plus loin, estimer l’absorbance d’une bulle.
Nous avons à notre retour au lycée tracé la courbe d’absorbance de notre solution savonneuse avec un spectrophotomètre. Nous avons effectué un travail que nous connaissons bien au lycée : nous avons rempli une petite cuve de 1cm de largeur à l’aide de notre solution savonneuse. Nous avons envoyé une lumière blanche sur la solution et disposé la fibre optique relié au spectrophotomètre à la sortie de la cuve.
Lorsqu’une lumière d’intensité I0 passe à travers une solution, une partie de celle-ci est absorbée par le(s) soluté(s)
coloré(s). L’intensité I de la lumière transmise est donc inférieure à I0. On définit pour chaque longueur d’onde,
I
I0
l’absorbance de la solution : A = −log ( )
Pour ce tracé (figure 19), nous ne faisons varier ni la concentration, ni la largeur de la cuve, c’est donc la capacité d’absorption de la solution pour chaque longueur d’onde que nous testons, capacité traduite par le coefficient d’absorption molaire de l’espèce colorée. La courbe obtenue est la suivante :
300
400 500 600
700
800
900
Absorbance (sans unité)
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
longueur d'onde (en nm)
En supposant que la concentration en colorant est faible, la loi de Beer-Lambert peut s’appliquer :
A= ε(λ )× c×ℓ
Où :
c est la concentration molaire de l’espèce colorée
ε(λ ) est le coefficient d'absorption molaire de la substance qui dépend de la longueur d'onde λ de la lumière.
ℓ est la largeur de la cuve traversée par la lumière
La relation de Beer-Lambert décrit donc que, à une longueur d’onde λ donnée et pour une espèce absorbante donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à sa concentration c en colorant, et également proportionnelle à la longueurℓ traversée par la lumière dans la solution.
Lorsque nous observons la courbe tracée précédemment, on repère clairement un grand pic d’absorption qui monte jusqu’à 0,4, pour des longueurs d’onde autour de 450 nm, qui correspondent à du bleu. Nous pouvons donc conclure que la solution absorbe les radiations dans ce domaine de longueur d’onde. Effectivement, notre solution savonneuse est verte !
Figure 19 : Courbe d’absorbance de la solution savonneuse en fonction des longueurs d’onde
18
Il ne faut pas oublier que notre courbe est obtenue avec une cuve de largeur d’un cm (10-2m). Or nos bulles sont bien plus fines. L’épaisseur de la couche d’eau présente dans la bulle est de l’ordre d’un micromètre soit 10-6 m. La solution est la même mais la distance parcourue par la lumière est 10 000 fois plus faible.
Si on divise 0,4 par 104, car l’absorbance est proportionnelle à la largeur de la cuve, on obtient : 4.10-5. On peut dire
que l’absorbance est presque nulle et donc que les couleurs ne sont pas liées au colorant contenu dans le savon que nous utilisons.
Alors, d’où viennent les couleurs ?
Elles sont liées aux interférences lumineuses des différentes ondes réfléchies par la lame de savon. Nous avons commencé à étudier le phénomène d’interférence en cours de spécialité de terminale avec M.Michel . Nous allons donc très vite comprendre la formation des couleurs des bulles. Nous avons déjà compris que la couleur est liée à l’épaisseur de la lame d’eau savonneuse et nous pensons, comme cela nous a été confirmé depuis, que cela peut être très intéressant ! Il est en effet tout à fait vraisemblable que l’épaisseur de la lame d’eau influe par exemple sur la forme des cristaux et leur taille.
4. Comment réaliser une extension à un congélateur ?
Nous avons repris notre porte de congélateur qui aura décidément subi beaucoup de transformation !
La partie haute étant en plexiglas transparent et comme nous avions comme projet de sortir la bulle du congélateur, nous n’avions plus utilité de cette transparence. Nous avons donc collé une grande plaque de polystyrène bien davantage isolante. Dans un coin à l’atelier trainait un tube en PVC simple gris de diamètre 10 cm, nous l’avons récupéré et coupé à une longueur de 50 cm. Nous avons démonté la partie basse de la porte avec les gants et collé une plaque fine de pvc d’épaisseur 5mm plus facilement usinable que le PVC transparent. Nous avons taillé un trou du diamètre du tube, puis avons positionné et collé celui-ci. Pour isoler nous avons bien bouché l’extrémité du grand tube et l’avons recouvert de mousse expansive après l’avoir percé de trois petits trous pour placer aux deux extrémités et au centre un thermocouple. Également nous avons placé un thermocouple à l’intérieur du congélateur pour pourvoir y suivre l’évolution de la température. Une fois le congélateur en fonctionnement nous avons relevé les températures (figure 20) :
θc= -13°C θ1=-3°C θ2=-1°C θ3=-2°C
Figure 20 : Essai de refroidissement d’un tube
Une fois stabilisé, on constate que l’air dans le tube se refroidit difficilement. Nous nous attendions à cet échec. L’air dans le tube étant bloqué et trop isolé de l’air dans le congélateur, il ne parvient pas à se refroidir rapidement. Malgré notre attente les températures n’évoluèrent guère.
Comment surmonter cet échec ?
Nous avons imaginé mettre en place un système de ventilation permettant d’assurer l’homogénéisation de l’air (et donc de sa température) dans le tube. Pour mettre en place ce mécanisme il nous fallait un ventilateur. Nous en avons récupéré un dans un ordinateur hors service. Nous avons réalisé un petit caisson avec du PVC blanc expansif pour l’y placer. Et nous avons enfin relié ce caisson à l’aide du tube PVC gris (voir figures 21 et 22).
50 cm
θ3
θ
θ2
1
Congélateur
θc
Congélateur
θc
θ1
θ3
θ2
Ventilateur
Figure 21 : Essai de refroidissement d’un tube
avec ventilation
19
Après avoir fixé et isolé thermiquement le tout, nous avons pu procéder à nouveau à des mesures et cette fois ci nos efforts ont été récompensés : les valeurs de température relevées étaient proches.
θc=-18°C
θ1=-18°C
θ2=-17°C
θ3=-16°C
Figure 22
Notre système semble donc opérationnel. Nous devons désormais non pas utiliser un tube opaque mais un tube transparent et diffusant la lumière qui l’éclaire, trouver la solution pour l’isoler tout en maintenant la transparence de l’ensemble. Notre travail étant encourageant, M.Michel a commandé deux tubes assez coûteux. L’un translucide blanc de 15 cm de diamètre et l’autre totalement transparent et de diamètre 19cm.
Nous avons donc procédé à la la mise en place de ces tubes en plaçant le tube translucide blanc dans le tube transparent tout en s’assurant que les surfaces soient séparées d’une couche d’air d’environ 2 cm. Ce « double vitrage » permet une isolation thermique… mais qui cette fois laisse pénétrer la lumière (figure 23).
Le dispositif fonctionne, même si nous pouvons encore améliorer l’isolation des tubes transparents. Nous avons pu enfin procéder à nos premières observations.
Figure 23 : Notre dispositif
Au mois de décembre, lors de la phase interacadémique du concours des olympiades de Physique, nous avons eu le plaisir de présenter notre travail aux chercheurs de l’université de Poitiers. Ce jour-là, la chance fut avec nous : lors de l’exposé, la bulle que nous avions formée a gelé et est restée en place tout au long de notre présentation, et même bien en delà soit environ 3 heures. Nous avons finalement dû la sacrifier pour reprendre la route ! Les membres du jury ont été très enthousiastes à notre projet. Ils nous ont encouragés, nous ont conseillés et ont cherché avec nous à interpréter nos premières observations. Nous sommes notamment restés en contact avec Anne-Laure DAVID, qui a étudié en détail notre mémoire, qui a observé longtemps avec nous la bulle photographiée ci-jointe et cherché à l’analyser.
La bulle gelée « Poitiers » 2h30 après sa formation
Dès notre retour à l’atelier, nous avons fait le bilan de cette belle journée et avons repris nos travaux en cherchant dans un premier temps à améliorer notre dispositif. Ainsi :
20
gradients de température. Chacun des thermocouples testés à l’extérieur indiquait la même température qu’un thermomètre électronique, de précision estimée à 0,2°C d’après le constructeur, ce qui est pour nous très satisfaisant ! Par ailleurs le suivi sur un écran des courbes de températures atteste d’une meilleure réactivité de la valeur à un changement de la température.
Nos premiers gels de bulles nous ont surpris et frustrés car nous nous attendions à observer l’apparition de belles dentrites comme sur les photos ou vidéos disponibles sur internet. Aussi avons-nous repris le document des chercheurs américains ([6]) et avons visualisé de nouveau les films amateurs. Dans tous les cas, les bulles sont déposées sur des branches, fleurs, carrosserie de voiture, neige. Dans le cas des chercheurs américains, il s’agissait d’un support bien plan sur lequel ils formaient des demi-bulles. La présence de ces supports semble donc initier le processus de cristallisation… Nous pouvons l’interpréter. En effet, afin de se solidifier l’eau de la bulle doit perdre de l’énergie thermique qui doit être transférée vers l’extérieur. Nous pensons que le support permet d’absorber l’énergie nécessaire pour permettre la solidification.
Nous avons donc placé une plateforme dans le tube sur laquelle repose une boîte de pétri contenant de l’eau gelée après une nuit au congélateur à -18°C. Nous avons formé des demi-bulles, puis des bulles presque entières sur ce récipient. Le résultat a été immédiat : des cristaux (dendrites) envahissant la totalité de la bulle (figure 24) !
0 s 10 s 20 s 30 s 70 s
Substrat (Tw)
Figure 24 : Croissance des cristaux. Température de l’air et du support : -14°C
L’importance d’un support semble donc se confirmer. Nous sommes par ailleurs convaincus qu’il faut une couche d’eau épaisse pour constater l’apparition de ces beaux cristaux !
Nous avons profité du spectacle bien sûr et filmé nos premières vidéos que nous avons publiées sur notre site internet :
https://www.ateliersciencerousseau.fr/peut-on-geler-une-bulle-de-savon
Beaucoup de questions ont accompagné nos premières observations et nous avons multiplié les essais. Parmi nos premiers constats : l’éclairage. Contrairement à nos travaux précédents, il est nettement préférable afin d’observer des dentrites de réduire fortement l’éclairage. Nous observons actuellement des cristaux peu blancs et nous pensons que la composition de notre eau savonneuse est à réfléchir de nouveau. Nous pensons également que les bulles colorées sont trop fines pour permettre l’apparition de dentrites. L’éclatement des bulles gelées lorsqu’on souffle dessus semble confirmer deux gels différents : On observe un éclatement comme du verre avec des bulles gelées où apparaissent des dentrites et un effondrement « toile d’araignée » pour les bulles colorées et donc fines.
Nous avons analysé avec M.Michel un graphe (ci-dessous) de l’article [6] : Tt est la température de l’air, Tw la température du support et Tm est la température de solidification.
Demi-bulle de savon
Air (Tm)
Le « Snow-globe effect»
21
Nous pensons que nos observations et les relevés de nos températures sont conformes à la partie encadrée en rouge sur la figure précédente. D’après ce graphe, si la température de l’air est inférieure à celle du support, un effet « snow globe », c'est-à-dire un bel effet boule à neige, peut être observé. La physique de ce mode de gel a été étudiée par les chercheurs américains. L’effet Marangoni serait à l’origine de cet effet spectaculaire que nous espérons observer prochainement.
Quelques jours avant la finale nationale des olympiades de Physique, nous sommes parvenus à prendre contact par mail avec l’un des auteurs de l’article en question [6] : Saurabh Nath. Il a accepté immédiatement de nous aider et nous avons fixé une soirée « visio » un dimanche soir. Nous avons pu échanger pendant près de deux heures… en anglais. Saurabh Nath a confirmé que nous étions en « Terra Incognita » et qu’il n’est pas impossible que nous fassions des observations inédites. D’ailleurs, il était très surpris du gel de notre bulle suspendue. Avec son équipe, il n’avait pas procédé à de tels essais et avait restreint son étude à des demi-bulles sur support.
Nous avons beaucoup échangé sur la nature du support utilisé avec son équipe. Nous avions quelques difficultés à
« lancer » la cristallisation à partir de galette d’eau gelée. Saurabh Nath nous a appris que l’important pour initier la cristallisation est l’irrégularité du support. Avec son équipe, il l’initiait avec des supports givrés qu’il nous a encouragé à mettre en œuvre.
Nous avons immédiatement cherché à suivre ses conseils. Etonnamment, autant le givre est indésirable et se forme facilement sur les systèmes de refroidissement tels que les congélateurs, autant en créer volontairement sur une petite surface n’est pas si simple. Nous avons donc posé par mél la question à Saurabh Nath qui nous a tout de suite proposé le protocole joint à l’annexe 2.
De nouveau, afin d’atteindre notre objectif, nous apprenons : Mise en œuvre de cellules Peletier, degré d’humidité de l’air, angle de contact d’un liquide sur un support, point de rosée…
Nous parvenons depuis peu à réaliser de belles surfaces givrées (figure 25) que nous allons pouvoir tester dans notre dispositif. Nous espérons améliorer ainsi nos observations en initiant plus facilement la cristallisation. Nous espérons également que la surface givrée permettra en diffusant la lumière de visualiser des cristaux plus « blancs » et donc plus facilement observables.
Nous ne manquerons pas de diffuser nos photos et films sur notre site internet.
Figure 25 : Réalisation d’une surface givrée à l’aide d’une cellule Peletier (-10°C)
22
CONCLUSION
Il est possible de faire geler des bulles de savon confortablement installés au chaud dans notre atelier à Laval (53) et de les étudier dans de bonnes conditions d’observation.
Notre aventure nous a déjà beaucoup appris, par les nombreuses connaissances théoriques que nous avons acquises, mais aussi et surtout par la découverte de la démarche expérimentale et son exigence. Nous sommes très heureux et fiers d’avoir ensemble pu relever ce défi.
Seize mois ont été pour cela nécessaires et de nombreuses difficultés ont été surmontées. Nous n'avions pas pensé qu'un tel projet nous conduirait à autant d’essais, d’échecs à surmonter et qu’il ferait appel à tant de domaines différents : électronique, chimie, optique, thermique, étude des matériaux, mais aussi des domaines moins scientifiques mais tout aussi exigeants et enrichissants comme le bricolage, la photographie, le montage vidéo…
L'échange avec les différents chercheurs et leurs connaissances ont également été très enrichissants pour nous.
Tout naturellement, nous nous sommes engagés dans un nouveau projet comme en atteste la dernière partie de ce mémoire : Comment gèle une bulle de savon ? Se présentent à nous de très nombreuses questions, auxquelles nous espérons pouvoir répondre par nous-mêmes ou avec l’aide de nos partenaires.
Bibliographie-Webgraphie
[1]
Article page 15 n°1224 de Science & Vie
[2]
[3]
[4]
Article Bup n°904-mai 2008 : Bulles de savon et spectres cannelés- Raymond PELLETIER
[5]
Optique-Une approche expérimentale et pratique- Sylvain HOUARD- deboeck
[6]
23
Annexe 1
Echanges avec notre partenaire
M.Bulou, professeur Emérite de l’Université du Mans
Au mois de mars 2021, nous avons eu la chance de rencontrer en visioconférence monsieur Bulou, chercheur et enseignant émérite à l’université du Mans. Nous en avons profité pour lui poser les multiples questions que nous nous posions alors. Ses réponses nous ont été précieuses dans la suite de notre projet, en particulier dans l’élaboration de notre extension du congélateur.
Nous avons pris des notes de nos échanges que nous lui avons transmises. Il les a corrigées et nous les a retransmises. Nos échanges sont retranscrits ci-dessous.
Nous espérons reprendre contact très prochainement avec M.Bulou notamment pour lui faire part de nos premières observations de gel des bulles. Nous tenons à le remercier pour le temps qu’il nous accorde.
L’humidité limite l’évaporation et aide à maintenir plus longtemps les bulles formées. Seulement l’air très sec du congélateur ne favorise pas la formation d’humidité, de plus, cette humidité risquerait de créer des cristaux sur la vitre.
Le saccharose est un produit hydrophile, qui se dissout très bien (c’est un sucre) , il peut donc être intéressant pour éviter l’évaporation de la bulle en se mêlant à l’eau qui la compose. La glycérine est quant à elle intéressante pour éviter l’écoulement de l’eau entre les deux couches de savon. Seulement lorsque ces substances sont en solution, dont la température de solidification est probablement inférieure à celle de l’eau pure qui : enfermée au milieu de la paroi de la bulle, elle ne gèlera pas à 0°C. De plus, pour la formation de cristaux sur la bulle, le mélange eau-glycérine n’est pas pur et ne cristallise donc pas comme l’eau seule. L’utilisation d’une substance pure comme le SDS, un savon qui cristallise, peut donc être plus intéressante pour notre bulle.
24
On se propose d’utiliser la même matière qu’une brosse de tableau. Pour obtenir une surface opaque, il faut
utiliser des matériaux granuleux, peu lisse.
Une polarisation est possible, par exemple en éclairant la bulle depuis l'extérieur avec un angle de Brewster, aucune lumière ne serait réfléchie par la vitre et on pourrait observer les cristaux qui eux sont polarisés. Plus précisément, il faut que la lumière incidente soit polarisée parallèlement au plan d’incidence, et que l’observation soit faite à travers un analyseur (filtre de polarisation) polarisé perpendiculairement. Mais il est certainement préférable d’éclairer directement par l’intérieur de l’enceinte avec une fibre optique, la source de lumière étant à l’extérieur (et de préférence une LED, laquelle n’émet pas d’infrarouges susceptibles de provoquer des échauffements).
Pour la porte, le plexiglas est un bon polarisant (comme le scotch), plus que le verre, qui lui offre un meilleur
confort d’observation.
l’intérieur ? Y-a-t-il des flux d’air ?
On a observé qu’il y a 10°C de différence entre le haut et le bas du congélateur. L’air chaud a tendance à monter quand l’air froid, plus dense, a tendance à descendre, la densité de l’air n’y est donc pas uniforme (phénomène décrit par l’équation des gaz parfaits qui associe, à une pression multipliée par un volume, une quantité de matière multiplié par une température). L’installation de ventilateurs doit donc se faire du bas vers le haut pour pousser l’air froid vers le haut et créer un cycle ; de plus, les ventilateurs pourront réguler la température entourant la bulle et la stabiliser dans l’air pour diminuer son écoulement, dû à la gravité, s'ils sont placés en dessous d’elle. A voir avec une analyse à la caméra thermique. Attention, pas la peine de mettre la ventilation trop forte/ violente, un simple mouvement d’air peut suffire.
Sinon, la chaleur émise par les lampes LED peut être évitée, en effet, chez ce type de lampe, seule la partie électronique (le culot) émet de la chaleur. Il peut donc être intéressant de sortir cette partie du congélateur tout en y laissant la LED.
Pour bien isoler le thermocouple, monsieur Bulou propose d’enrober celui-ci avec du polystyrène (en faisant dissoudre des " cacahuètes " de polystyrène dans de l'acétone), ou dans du vernis à ongles.
Pour une luminosité optimale, l'éclairage doit-être le plus diffus possible pour que la bulle puisse réfléchir la totalité des rayons lumineux. Les lampes que nous utilisons produisent donc une lumière intéressante. Pour diffuser encore plus la lumière, le verre dépoli peut être efficace. Sinon, on peut installer un cadre en fibre optique pour illuminer sans chauffer.
Attention, selon les matériaux, les rayonnements infrarouges sont différents et deux objets de même
température peuvent paraître différents sur l’écran de la caméra, c’est le problème de ” l’émissivité “.
Les images seront donc à analyser avec prudence. Toutefois, elle peut être utilisée, même derrière la vitre à priori. Il serait toutefois préférable que l’objectif de la caméra vise directement les bulles, et non pas à travers une vitre.
25
La taille des cristaux dépend de leur vitesse de refroidissement : plus la température baisse vite, plus les cristaux seront petits et stables, à l’inverse, plus la température baisse lentement et progressivement, plus les cristaux seront grands et instables. La forme et l'organisation qu’ils prendront dépend quant à elle de la température (voir schéma des 7 types de cristaux de l’eau). Il est donc important de noter les conditions de refroidissement (temps et température) de nos bulles pour analyser les cristaux formés.
Par ailleurs, l’eau liquide est sujette au phénomène de surfusion qui stipule que la température de solidification d’un liquide n’est pas forcément égale à sa température de fusion ( 0°C) dans le cas où il est très pur. Dans cette situation, ce dernier ne se solidifie que lorsqu’une perturbation, un déséquilibre comme la présence d’impuretés ou un choc brutal apparaît. Ainsi, une bouteille d'eau entière peut se solidifier en quelques secondes à la suite d’un choc. Il faudra prendre ce facteur en compte si l’on choisit un produit à bulle pur.
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Annexe 2
À la suite de notre interrogation à propos de la réalisation d’un support givré, voici la réponse de Saurabh Nath
notre partenaire. Une réponse que nous avons reçue le 10 mars dernier.
Hello guys !
First of all, congratulations Zoé, Mathilde, Florian, Rémi, Djamila, and Daniella on your success, which in the least shows how you have developed a culture of investigative analytical thinking that will hopefully live on and live within to constantly inspire, no matter what you pursue - science or otherwise.
Now, for making frost easily, you need -
You need to bring the Peltier to a temperature sufficiently below the dew point. So, the best is to go to the lowest temperature and wait for 10 mins.
If the environment is so dry that the dew point is lower than the lowest temperature the Peltier can go to, then you cannot grow frost. You have to add moisture to make the vicinity more humid. This you can do with vapor from a kettle.
Typically in half an hour or so, the frost growth stops.
Note that frost does not grow to indefinitely high lengths. Said differently there is a maximum height the frost will grow to, because the ambient air is above 0 degree Celsius.
Let me know how it goes !
Best wishes! Saurabh