Lundi 18 janvier 2010

Nageurs et petits bateaux sur l'eau

Jean-Christophe Loudet
Bernard Pouligny

CRPP– CNRS Pessac

Contrairement aux idées reçues, il est facile de marcher sur l'eau: il suffit d'être petit. On peut faire la planche sans aucun mouvement, et même naviguer presque sans effort.  Ces performances paradoxales  seront illustrées par quelques exemples tirés de la nature (Anurida maritima) ou d'expériences de laboratoire avec des petits objets allongés. On montrera les origines physiques de ces effets, qui tous impliquent des lignes de contact non planes.

Comment se comportent de petits objets solides flottant à la surface d’un liquide ? Suivant leur taille, poids ou forme, une grande variété de phénomènes peut être mise en évidence. Les objets peuvent s’attirer les uns les autres ou au contraire se repousser, s’assembler pour former des structures avec des géométries bien définies.

En effectuant des expériences très simples, en direct ou illustrées par des vidéos, toutes les notions nécessaires sont introduites qui permettent d’expliquer les origines physiques de quelques comportements observés dans la nature et en laboratoire.

Un exemple tiré de la nature est présenté sur les images ci-dessous :

Certains insectes (ci-dessus, la larve anurida maritima) sont capables de faire la planche
sur l’eau sans bouger et de se mouvoir à la surface presque sans effort afin de former
des colonies de plusieurs centaines d’individus. Comment ?
Nous verrons que cela résulte d’un équilibre subtil entre forces de gravitation et forces de tension de surface.

Nous verrons, entre autres, le rôle majeur joué par les interactions capillaires, qui sont des interactions médiées par les déformations de la surface liquide dans le voisinage des petits corps flottants.

En considérant des objets bien plus petits que le millimètre, typiquement de quelques micromètres, les effets de la gravité peuvent être négligés. Néanmoins, les objets peuvent toujours s’attirer ou se repousser entre eux. Pourquoi ? Dans ce cas, la forme des objets est cruciale et les lignes de contact deviennent non planes. Des expériences modèles effectuées en laboratoire sont décrites.

Une illustration est présentée sur les images ci-dessous.

Clichés de microscopie optique.
A gauche, des sphères de 4 micromètres de diamètre adsorbées à l’interface eau-huile : on constate la formation d’un cristal colloïdal.
A droite : des objets ellipsoïdaux (axe long : 10 micromètres) flottants à l’interface eau-huile : les ellipsoïdes s’agrègent et forment des structures anisotropes sous l’effet des interaction capillaires.

Au-delà de la curiosité scientifique, les résultats de ces observations peuvent également présenter un intérêt pour expliquer, en partie, les mécanismes de transport au sein même des membranes cellulaires. Quelques précisions seront données à ce sujet.