Chien mouillé

3 07 2011

Les mammifères poilus tels que les chiens, les ours ou les souris se secouent à la suite d’un bain. Cette méthode permet à ces animaux de projeter dans l’air  les gouttes d’eau accrochées à leur pelage (parfois au détriment de leurs propriétaires). Des chercheurs du Goergia Institute of Technology ont montré que la fréquence à laquelle ces mammifères se secouent est reliée à leur taille. Ainsi plus l’animal est gros, moins il a besoin de se secouer rapidement pour se sécher.

Cette observation provient du fait que  les forces centrifuges augmentent proportionnellement à la distance du centre de rotation. En revanche, la force d’adhésion des gouttes d’eau au pelage est sensiblement la même pour les différents animaux. Ainsi les plus gros mammifères se secouent moins vite que les plus petits pour faire évacuer l’eau. Ce résultat se retrouve sur le graphique suivant où les chercheurs ont reporté les fréquences des secousses en fonction de la taille de l’animal.

Remarquons que l’expérience ne donne pas exactement la dépendance en rayon attendue par le raisonnement théorique. Un animal de taille donné n’a pas besoin de se secouer aussi fort que ce que prévoit le calcul. Bien qu’aucune explication n’ai été avancée, cela est peut être du à la surface rugueuse du pelage qui accroche moins les gouttes d’eau qu’une surface plane.

Source :

http://arxiv.org/abs/1010.3279





Ecoulement de fourmis

30 04 2011

Les fourmis de feu utilisent leurs griffes pour s’accrocher aux surfaces mais aussi entre elles. Ces interactions entre individus pemettent aux colonies de fourmis de feu d’exhiber des comportements collectifs. La plupart de ces comportement sont analogues à ceux des fluides comme le montre la vidéo publiée par des chercheurs de l’université de New York (http://arxiv.org/abs/1010.3256)
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Un fluide est constitué de molécules qui interagissent entre elles. Ces interactions sont moins importantes dans un fluide que dans un solide. Ceci permet aux molécules de ne pas occuper une place fixe au sein d’un liquide. Une analogie entre une assemblée de fourmi de feu et un fluide est donc possible. Chaque fourmi représente une molécule qui interagit avec ses voisines à l’aide de ses griffes, tout en gardant la possibilité de changer de place dans la structure formée. Dès lors, il n’est plus surprenant qu’une colonie de fourmis de feu se comporte comme un fluide.

Dans un fluide, la comparaison entre les forces d’interactions et le poids mène à définir la longueur capillaire. Cette longueur, de l’ordre du millimètre pour la majorité des fluides, dicte l’échelle sur laquelle les effets de la force d’interaction vont être visible. Un ménisque résulte de la compétition de ces deux forces et sa taille est reliée à la longueur capillaire. les chercheurs ont mesuré la force employée par les fourmis pour s’accrocher entre elles. Cette force est égale à 400 fois le poids d’un individu. Ainsi pour une assemblée de fourmi, l’équivalent de la longueur capillaire est de l’ordre du centimètre. Ce calcul semble cohérent avec la taille du « ménisque » formé par les fourmis remontant le long d’une tige verticale que l’on peut voir à la fin de la vidéo.





Du lait sur le feu

12 02 2011

Mieux vaut rester à côté de sa casserole de lait lorsque celle ci se met en ébullition. En effet lors de l’ébullition, le lait monte rapidement jusqu’à déborder du récipient (cf photo ci dessous). Mais quelle est l’origine de ce phénomène qui n’existe pas dans le cas de l’ébullition de l’eau ?


En observant la montée du lait lors de son ébullition, on peut constater que le lait prend un aspect mousseux. Cet aspect mousseux du lait est aussi utilisé pour rendre plus savoureux certains chocolat chaud (cf photo ci dessous). Et même à froid il est possible d’observer la mousse formée par le lait en secouant énergiquement une bouteille avant de l’ouvrir.


Une mousse est formée par des bulles d’air séparées par des films de liquide (du lait dans notre cas). On rencontre ces objets dans les bières pression (photo ci dessous), les bains moussants ou avec les liquides vaisselles.


Dans les mousses, le liquide piège des bulles d’air. Par conséquent les mousses occupent un volume bien plus importants que le liquide seul. Ce volume sera fonction du nombre et de la taille des bulles emprisonnées. La formation d’une mousse lors de l’ébullition du lait explique que celui ci déborde. Mais il reste à comprendre les conditions de formation de cette mousse.

Le lait est constitué entre autre de protéines parmi lesquelles la caséine β et la sérum albumine bovine. Ces protéines ont la particularité d’être des tensioactifs amphiphiles (ou surfactants). C’est à dire qu’elles peuvent se positionner à l’interface liquide-vapeur et abaisser sa tension de surface. Alors que la tension superficielle de l’eau distillée est de 72 mN/m, celle du lait est typiquement de 18 mN/m. Cette faible tension superficielle pour le lait signifie qu’il sera plus aisé de créer des interfaces liquide-vapeur. Lorsque le lait est porté à ébullition, le nombre de bulles de vapeur formées sera plus grand que dans le cas de l’eau.

La retombée du liquide sous l’effet de la gravité. Ce retard permet à la mousse de survivre une dizaine de seconde lorsqu’on coupe l’ébullition.

Pour résumer, la présence des protéines lactique dans le lait abaisse sa tension de surface, ce qui facilite la formation de bulles de vapeur. Ces protéines stabilisent par ailleurs la mousse formée lors de l’ébullition ce qui cause une augmentation du volume occupé par le lait et explique le phénomène de montée. Une expérience simple qui permet de vérifier ces explications consiste à porter à ébullition une casserole d’eau contenant du liquide vaisselle. Le liquide vaisselle contient aussi des surfactants qui ont les mêmes propriétés que les protéines lactiques. Vous constaterez à l’ébullition qu’une mousse se forme et permet à l’eau de déborder de la casserole comme le fait le lait.

Un autre phénomène vient cependant complexifier le propos précédent. Le lait est aussi composé de matières grasses qui sont en émulsion. C’est-à-dire que ces matières grasses, non miscible à l’eau, sont dispersées en petite gouttelettes (non visibles à l’oeil nu). La température d’ébullition de ces matières grasses est supérieure à celle de l’eau. Lorsqu’on chauffe le lait, elles facilitent donc la propagation de la chaleur dans tout le contenu de la casserole. Ainsi les bulles de vapeur peuvent se former dans tout le volume du lait ce qui est plus difficile dans le cas de l’eau. Pour une casserole d’eau, les bulles de vapeur se forment préférentiellement au fond de la casserole. Cependant la présence de matières grasses affecte la stabilité des mousses de solutions de protéines.





La tension superficielle

8 02 2011

L’expérience suivante montre qu’il est possible de faire flotter des objets de masse volumique supérieure à celle de l’eau.

Lorsque un objet est déposé doucement il déforme la surface de l’eau sous l’effet de son poids. Cette surface préfère rester plane et résiste en compensant le poids de l’objet. Cette expérience n’est envisageable que pour des objets de taille millimétrique. Pour des objets de taille plus conséquente, la déformation de la surface de l’eau est trop importante et elle cède pour laisser couler l’objet. Ce phénomène est utilisé par les araignées d’eau pour marcher à la surface des étangs sans couler.