Goutte (physique)

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Une goutte d’eau sur la feuille de lotus fortement hydrophobe.
Gouttes d’eau coulant d’un robinet.

Une goutte est une petite quantité de liquide où la tension de surface est importante. La plus petite gouttelette d'eau analysée qui comporte le nombre de 3 x 1020 molécules d'eau reste une superstructure géante à l'échelle de la molécule.

Forme d'une goutte[modifier | modifier le code]

Goutte dans l'air[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Forme d’une goutte de pluie.

Pour une goutte d’eau de faible dimension (typiquement 1 mm), la tension de surface est la force dominante. Si elle est déposée sur une surface fortement hydrophobe, une goutte adopte une forme sphérique. Cet état d’équilibre correspond à un minimum de surface, donc d’énergie de surface, dominante à cette échelle.

Un argument fondé sur les forces en présence permet de retrouver ce résultat. En effet, la pression engendrée par la tension de surface est proportionnelle à la courbure de la surface de la goutte (pression de Laplace). À l’équilibre, la pression est constante, donc la courbure l’est aussi : une goutte (comme une bulle) est sphérique. Ceci reste vrai tant que la pesanteur est négligeable, c’est-à-dire pour des gouttes plus petites que la longueur capillaire, environ 3 mm pour l’eau. Même les gouttes en mouvement (la pluie) gardent cette forme, à cette échelle (celle de la pluie, précisément).

Goutte sur un solide[modifier | modifier le code]

Il existe une très grande diversité de forme de goutte (sphérique, en larme, etc.). Ce sont les forces en présence (poids, tension de surface, inertie pour une goutte en mouvement) qui en déterminent la forme.

Une goutte statique sur un solide peut être décrite de la même manière qu’une goutte dans l’air. Ainsi, si elle est suffisamment petite, la seule force qui détermine sa forme est la tension de surface. Par contre, l’angle de contact avec lequel la goutte repose sur le solide dépend des conditions de mouillage. Cet angle de contact et les conditions de mouillage sont décrits thermodynamiquement par le modèle de Young qui met en relation les tensions de surface et l'angle de contact à l’équilibre (\theta_\mathrm{C}) du système goutte-substrat. L’angle de contact à l'équilibre en soi est physiquement difficile à mesurer. Une façon d'acquérir l'angle de contact à l'équilibre, est à travers sa relation (son lien) avec les angles de contact avançant (\theta_\mathrm{A}) et reculant (\theta_\mathrm{R}) qui quant à eux peuvent être mesurés facilement. Au final, la goutte aura donc une forme de calotte sphérique (voir figure ci-contre).

Forme d’une goutte déposée sur un liquide en fonction de sa taille (comparée à la longueur capillaire l_c.

Si la goutte d’eau est plus grande, typiquement d’une taille supérieure à la longueur capillaire, celle-ci est aplatie par la gravité et devient une flaque (voir figure ci-contre).

Goutte en mouvement[modifier | modifier le code]

Évolution d'une goutte d'eau partant d'un stalactite

Lorsqu’une goutte est en mouvement, sa forme est beaucoup plus compliquée et dépend de la géométrie. Ainsi, une goutte qui tombe d’un robinet aura une forme de larme avant de se détacher et de prendre une forme sphérique.

Une goutte ruisselant sur une vitre pourra prendre des formes très différentes. À très faible vitesse, elle se déforme à cause de l’hystérèse de l’angle de contact. À très grande vitesse, la goutte pourra elle aussi se déformer et prendre la forme d’une larme voire déposer des gouttelettes derrière elle.

Émulsions[modifier | modifier le code]

Le paradis des gouttes (et de leurs applications) se situe très probablement dans les émulsions. En effet une émulsion est une solution liquide ou gazeuse contenant des microgouttelettes en suspension. Les exemples les plus courants d’émulsions sont les nuages ou le brouillard (suspension de gouttelettes d’eau dans l’air), la mayonnaise et les crèmes (suspension de gouttelettes d’huile dans une phase aqueuse), et toute forme de mousse (gouttelettes d’air dans une phase liquide) comme dans la crème chantilly, le bain moussant.

Des gouttelettes sont utilisées comme micro-réacteur chimique ou biochimique et des méthodes sont développées pour couper des gouttes, en mélanger le contenu, y contrôler une cristallisation ou une réaction chimique, etc.

Galerie[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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