Larme de verre
Cet article est une ébauche concernant la physique des matériaux.
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Une larme de verre, larme du verrier ou larme batavique, aussi appelée goutte du Prince Rupert[1], est un petit objet de verre connu pour la particularité physique de se pulvériser quand sa pointe est rompue, alors qu'il est par ailleurs très résistant aux chocs.
Elles sont désignées au 17e siècle par le terme de Lacrymae Batavicae en latin et larmes bataviques en français, selon le récit de Monsieur de Monconyset dans son Journal des voyages, relatant qu'elles auraient été apportées pour la première fois de Hollande en France en 1656 par le diplomate Pierre Chanut, alors en poste en Suède[2]. Cependant les larmes de verre étaient déjà produites à l'époque en Allemagne et en Suède et connues depuis l'Antiquité[3].
Cette larme d'un type particulier est réalisée en laissant tomber du verre en fusion (autour de 1 500 °C) dans de l'eau froide. Elle prend alors une forme assez semblable à celle d'une larme, avec une partie oblongue s'amenuisant en un petit filet plus ou moins long. Le refroidissement brutal soumet l'extérieur de la goutte à une force de compression alors que l'intérieur reste en tension.
Alors que le bulbe de verre formant la tête de la larme batavique est capable de résister à des coups de marteau et une pression pouvant aller jusqu'à 15.000 newtons, une seule fracture de la queue, beaucoup plus fine, libère les contraintes internes et propage la cassure à l'intérieur de la goutte à une vitesse cinq fois supérieure à la vitesse du son. La goutte de verre se vaporise alors en myriades de particules scintillantes dans un claquement caractéristique. En 1994, bien que l'éclatement de gouttes ait pu être filmé par une caméra haute vitesse à près d'un million d'images à la seconde, la vitesse de désintégration est telle que les fragments apparaissent flous sur les clichés[4].
Propriétés physiques
[modifier | modifier le code]Les tensions au sein d'une larme batavique sont importantes[5],[6].
La larme, avant d'atteindre l'eau, est chaude, à viscosité faible. Au contact de l'eau, la surface se refroidit immédiatement, se contracte (par effet de dilatation thermique) et voit sa viscosité augmenter brutalement. En se contractant, elle comprime le cœur de la goutte. Mais le cœur, encore chaud et fluide, relaxe cette contrainte rapidement, et suit la contraction de la surface par cet effet. Au moment où le cœur lui-même se refroidit, il voudrait se contracter davantage par effet de dilatation thermique, mais la surface l'en empêche: elle est de viscosité trop élevée pour relaxer la contrainte que cela induit. Le cœur induit donc des contraintes de compression à la surface qui en échange induit des contraintes de traction dans le cœur. Ce phénomène est le même que celui utilisé pour la trempe thermique des verres, mais est plus violent pour la larme (le verre trempé étant refroidi à l'air et non à l'eau froide).
Pour qu'un verre casse, il faut qu'une fissure s'y propage. Cela n'est possible que si la fissure subit une contrainte de traction seuil définie par la ténacité du verre. La larme aura surtout des fissures à sa surface (issu de sa manipulation, des poussières, etc...), mais sa surface est en compression. Cela signifie qu'avant d'atteindre une contrainte de traction suffisante pour propager une fissure, il faut déjà appliquer une contrainte de traction annulant la compression de surface due à la trempe. De ce fait, la larme a une résistance mécanique exceptionnelle comparée à un verre ordinaire.
En revanche, si une fissure atteint le cœur, ce qui arrive si on coupe la queue de la larme, elle va entrer dans une zone où la contrainte de traction dépasse largement celle nécessaire à sa rupture: elle a plus d'énergie qu'il lui en faut pour se propager. Pour dissiper ce trop-plein d'énergie, la fissure augmente sa surface par « branchement de fissure »[7], ce qui produit de petits fragments de verre. Les fragments étant petits (donc de masse faible) et la propagation de fissure rapide (plusieurs milliers de m/s) [8], la goutte explose alors de façon impressionnante[9].
Notes et références
[modifier | modifier le code]- ↑ Étienne Guyon, José Bico, Étienne Reyssat et Benoît Roman, « Les larmes de verre », Sciences, , p. 308–315 (lire en ligne, consulté le )
- ↑ Balthasar Monconys, Journal des voyages de monsieur de Monconys, (lire en ligne), p. 162
- ↑ Laurel Brodsley, Charles Frank et John W. Steeds, « Prince Rupert's Drops », Notes and Records of the Royal Society of London, vol. 41, no 1, , p. 1–26 (ISSN 0035-9149, lire en ligne, consulté le )
- ↑ Emma Hollen, « Cabinet de curiosités : la larme batavique, un objet paradoxal aux super-pouvoirs », sur Futura, (consulté le )
- ↑ (en) Lisa Zyga, « Scientists solve 400-year-old mystery of Prince Rupert's drops », Phys.org, (lire en ligne)
- ↑ (en) « Rupert's glass drops: Residual-stress measurements and calculations and hypotheses for explaining disintegrating fracture », Journal of Materials Processing Technology, vol. 31, no 3, , p. 413–440 (ISSN 0924-0136, DOI 10.1016/0924-0136(92)90292-Z, lire en ligne, consulté le )
- ↑ (en) M. Munawar Chaudhri, « Crack bifurcation in disintegrating Prince Rupert's drops », Philosophical Magazine Letters, vol. 78, no 2, , p. 153–158 (ISSN 0950-0839, DOI 10.1080/095008398178147, lire en ligne, consulté le )
- ↑ (en) M. Munawar Chaudhri, « The role of residual stress in a Prince Rupert's drop of soda-lime glass undergoing a self-sustained and stable destruction/fracture wave », Physica Status Solidi A, Volume206, Issue7, , Pages 1410-1413 (lire en ligne)
- ↑ (en) S. Chandrasekar & M. M. Chaudhri, « The explosive disintegration of Prince Rupert's drops », Philosophical Magazine B , Volume 70, Issue 6, , p. 1195-1218 (lire en ligne)
Voir aussi
[modifier | modifier le code]Bibliographie
[modifier | modifier le code]- L'Encyclopédie de Diderot, première édition, tome 9, p. 296, entrée « Larme ».
