Bulle de savon - Soap bubble

Une bulle de savon est un film extrêmement fin d' eau savonneuse renfermant de l'air qui forme une sphère creuse avec une surface irisée . Les bulles de savon ne durent généralement que quelques secondes avant d'éclater, seules ou au contact d'un autre objet. Ils sont souvent utilisés pour le plaisir des enfants, mais ils sont également utilisés dans des spectacles artistiques . L'assemblage de plusieurs bulles donne de la mousse .

Lorsque la lumière éclaire une bulle, elle semble changer de couleur. Contrairement à celles observées dans un arc-en-ciel, qui résultent de la réfraction différentielle, les couleurs observées dans une bulle de savon proviennent de l'interférence de la lumière se reflétant sur les surfaces avant et arrière du film de savon mince. Selon l'épaisseur du film, différentes couleurs interfèrent de manière constructive et destructive.

Mathématiques

Les bulles de savon sont des exemples physiques du problème mathématique complexe de la surface minimale . Ils prendront la forme de la plus petite surface possible contenant un volume donné. Une vraie surface minimale est plus correctement illustrée par un film de savon , qui a une pression égale à l'intérieur comme à l'extérieur, est donc une surface avec une courbure moyenne nulle . Une bulle de savon est un film de savon fermé : du fait de la différence de pression extérieure et intérieure, c'est une surface de courbure moyenne constante .

Alors que l'on sait depuis 1884 qu'une bulle de savon sphérique est le moyen de moindre surface d'enfermer un volume d'air donné (un théorème de HA Schwarz ), ce n'est qu'en 2000 qu'il a été prouvé que deux bulles de savon fusionnées fournissent l'optimum manière d'enfermer deux volumes d'air donnés de taille différente avec la plus petite surface. Cela a été surnommé la conjecture à double bulle .

En raison de ces qualités, les films de bulles de savon ont été utilisés avec une application pratique de résolution de problèmes. L'ingénieur en structure Frei Otto a utilisé des films à bulles de savon pour déterminer la géométrie d'une feuille de moindre surface qui s'étend entre plusieurs points, et a traduit cette géométrie en structures de toit tendues révolutionnaires . Un exemple célèbre est son pavillon de l'Allemagne de l'Ouest à l'Expo 67 à Montréal.

La physique

Fusionner

Lorsque deux bulles fusionnent, elles adoptent une forme qui rend la somme de leurs surfaces la plus petite possible, compatible avec le volume d'air que chaque bulle renferme. Si les bulles sont de taille égale, leur paroi commune est plate. S'ils ne sont pas de la même taille, leur paroi commune se gonfle dans la plus grande bulle, car la plus petite a une pression interne plus élevée que la plus grande, comme le prédit l' équation de Young-Laplace .

À un point où trois bulles ou plus se rencontrent, elles se trient de sorte que seules trois parois de bulles se rencontrent le long d'une ligne. Puisque la tension superficielle est la même dans chacune des trois surfaces, les trois angles entre elles doivent être égaux à 120°. Seules quatre parois de bulles peuvent se rencontrer en un point, avec les lignes où les triplets de parois de bulles se rencontrent séparées par cos ⁻¹ (−1/3) ≈ 109,47°. Toutes ces règles, connues sous le nom de lois de Plateau , déterminent comment une mousse est construite à partir de bulles.

Stabilité

La longévité d'une bulle de savon est limitée par la facilité de rupture de la très fine couche d'eau qui constitue sa surface, à savoir un film de savon micrométrique d' épaisseur . Il est ainsi sensible à :

• Drainage au sein du film de savon : l'eau tombe par gravité. Cela peut être ralenti en augmentant la viscosité de l'eau, par exemple en ajoutant du glycérol. Pourtant, il existe une limite de hauteur ultime, qui est la longueur capillaire , très élevée pour les bulles de savon : environ 13 pieds (4 mètres). En principe, il n'y a pas de limite à la longueur qu'il peut atteindre.
• Evaporation : Elle peut être ralentie en soufflant des bulles dans une atmosphère humide, ou en ajoutant du sucre à l'eau.
• Saleté et graisse : Lorsque la bulle touche le sol, un mur ou notre peau, elle rompt généralement le film de savon. Cela peut être évité en mouillant ces surfaces avec de l'eau (contenant de préférence du savon).

Mouillage

Lorsqu'une bulle de savon est en contact avec un solide ou un liquide, un mouillage de surface est observé. Sur une surface solide, l' angle de contact de la bulle dépend de l' énergie de surface du solide., Une bulle de savon a un angle de contact plus grand sur une surface solide présentant une ultrahydrophobie que sur une surface hydrophile - voir Mouillage . Sur une surface liquide, l'angle de contact de la bulle de savon dépend de sa taille - les petites bulles ont des angles de contact plus faibles.

Médicament

dermatite de contact

La composition du liquide des bulles de savon a de nombreuses recettes avec des ingrédients légèrement différents. Le plus courant contient :

• 2/3 tasse de savon à vaisselle
• 1 gallon d'eau
• 2/3 cuillère à soupe de glycérine

En raison de la présence de savon pour lave-vaisselle, il n'est pas rare que les enfants développent une dermatite au visage ou aux mains avec des conséquences telles que des éruptions cutanées, un gonflement des yeux, des vomissements et des étourdissements.

Les bulles de savon comme informatique non conventionnelle

Les structures que fabriquent les films de savon peuvent non seulement être enfermées sous forme de sphères, mais également sous n'importe quelle forme, par exemple dans des cadres en fil de fer. Par conséquent, de nombreuses surfaces minimales différentes peuvent être conçues. Il est en effet parfois plus facile de les fabriquer physiquement que de les calculer par modélisation mathématique . C'est pourquoi les films de savon peuvent être considérés comme des ordinateurs analogiques pouvant surpasser les ordinateurs conventionnels, selon la complexité du système.

Des bulles dans l'éducation

Les bulles peuvent être utilisées efficacement pour enseigner et explorer une grande variété de concepts, même aux jeunes enfants. Flexibilité, formation de couleur, surfaces réfléchissantes ou réfléchissantes, surfaces concaves et convexes, transparence, une variété de formes (cercle, carré, triangle, sphère, cube, tétraèdre, hexagone), propriétés élastiques et dimensionnement comparatif, ainsi que les plus ésotériques propriétés des bulles répertoriées sur cette page. Les bulles sont utiles dans l'enseignement des concepts à partir de 2 ans et jusqu'au collège. Un professeur d'université suisse, le Dr Natalie Hartzell, a émis l'hypothèse que l'utilisation de bulles artificielles à des fins de divertissement pour les jeunes enfants a montré un effet positif dans la région du cerveau de l'enfant qui contrôle la motricité et est responsable de la coordination avec les enfants exposés aux bulles à un jeune âge montrant des capacités de mouvement mesurables meilleures que celles qui ne l'étaient pas.

des loisirs

Utilisation en jeu

Les bulles de savon sont utilisées comme divertissement depuis au moins 400 ans, comme en témoignent les peintures flamandes du XVIIe siècle montrant des enfants soufflant des bulles avec des pipes en terre. La société londonienne A. & F. Pears a créé une célèbre campagne publicitaire pour ses savons en 1886 en utilisant une peinture de John Everett Millais d'un enfant jouant avec des bulles. La société de Chicago Chemtoy a commencé à vendre des solutions à bulles dans les années 1940, et les solutions à bulles sont depuis devenues populaires auprès des enfants. Selon une estimation du secteur, les détaillants vendent environ 200 millions de bouteilles par an.

Bulles colorées

Une bulle est constituée d'eau transparente renfermant de l'air transparent. Cependant, le film de savon est aussi fin que la longueur d' onde de la lumière visible , ce qui entraîne des interférences . Cela crée une irisation qui, associée à la forme sphérique et à la fragilité de la bulle, contribue à son effet magique sur les enfants comme sur les adultes. Chaque couleur est le résultat de différentes épaisseurs de film à bulles de savon. Tom Noddy (qui a présenté dans le deuxième épisode de Marcus du Sautoy est le Code ) a donné l'analogie de regarder un contour carte des bulles de la surface. Cependant, produire des bulles colorées artificiellement est devenu un défi.

Byron, Melody & Enoch Swetland ont inventé une bulle non toxique brevetée (Tekno Bubbles) qui brille sous un éclairage UV. Ces bulles ressemblent à des bulles "claires" ordinaires de haute qualité sous un éclairage normal, mais brillent lorsqu'elles sont exposées à une véritable lumière UV. Plus l'éclairage UV est brillant, plus ils brillent. La famille les a vendus dans le monde entier, mais a depuis vendu leur entreprise.

L'ajout de colorant coloré aux mélanges de bulles ne produit pas de bulles colorées, car le colorant se fixe aux molécules d'eau par opposition au tensioactif. Par conséquent, une bulle incolore se forme avec le colorant tombant à un point à la base. Le chimiste en teinture, le Dr Ram Sabnis, a mis au point un colorant lactone qui adhère aux tensioactifs, permettant la formation de bulles aux couleurs vives. La lactone cristal violet en est un exemple. Un autre homme nommé Tim Kehoe a inventé une bulle colorée qui perd sa couleur lorsqu'elle est exposée à la pression ou à l'oxygène, qu'il commercialise maintenant en ligne sous le nom de Zubbles , qui ne sont pas toxiques et ne tachent pas. En 2010, l'astronaute japonaise Naoko Yamazaki a démontré qu'il est possible de créer des bulles colorées en microgravité . La raison en est que les molécules d'eau sont réparties uniformément autour de la bulle dans l'environnement à faible gravité.

Gelé

Si des bulles de savon sont soufflées dans de l'air dont la température est inférieure à -15  °C (5  °F ), elles gèlent lorsqu'elles touchent une surface . L'air à l'intérieur se diffusera progressivement , provoquant l'effritement de la bulle sous son propre poids. À des températures inférieures à environ -25 °C (-13 °F), les bulles gèlent dans l'air et peuvent se briser en heurtant le sol. Lorsqu'une bulle est soufflée avec de l'air chaud, la bulle gèlera d'abord en une sphère presque parfaite, mais lorsque l'air chaud se refroidit et qu'une réduction de volume se produit, il y aura un effondrement partiel de la bulle. Une bulle, créée avec succès à cette basse température, sera toujours assez petite ; il gèlera rapidement et se brisera s'il est augmenté davantage. La congélation des petites bulles de savon se produit dans les 2 secondes après la pose sur la neige (à une température de l'air d'environ –10...–14 °C).

Art

Les spectacles de bulles de savon combinent divertissement et réalisation artistique. Ils nécessitent un haut degré de compétence. Certains artistes utilisent des liquides à bulles courants disponibles dans le commerce tandis que d'autres composent leurs propres solutions. Certains artistes créent des bulles ou des tubes géants, enveloppant souvent des objets ou même des humains. D'autres parviennent à créer des bulles formant des cubes, des tétraèdres et d'autres formes et formes. Les bulles sont parfois manipulées à mains nues. Pour ajouter à l'expérience visuelle, ils sont parfois remplis de fumée , de vapeur ou d' hélium et combinés avec des lumières laser ou du feu. Les bulles de savon peuvent être remplies d'un gaz inflammable tel que le gaz naturel puis enflammées.

Galerie d'artistes de bulles de savon au travail

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Voir également

• Antibulle
• Pipe à bulles
• Mousse
• Joseph Plateau
• Méthode de la grille étirée
• Tom Noddy
• Structure Weaire–Phelan

Les références

Lectures complémentaires

• Oprea, John (2000). Les mathématiques des films de savon – Explorations avec Maple . Société mathématique américaine (1ère éd.). ISBN  0-8218-2118-0
• Boys, CV (1890) Les bulles de savon et les forces qui les façonnent ; (Réimpression de Douvres) ISBN  0-486-20542-8 . Exposition victorienne classique, basée sur une série de conférences données à l'origine "devant un public juvénile".
• Isenberg, Cyril (1992) La science des films de savon et des bulles de savon ; (Douvres) ISBN  0-486-26960-4 .
• Noddy, Tom (1982) "La magie des bulles de Tom Noddy" Les explications du pionnier des bulles ont créé l'art de la performance moderne.
• Stein, David (2005) "Comment faire des bulles monstrueuses, énormes et incroyablement grosses" ; (Klutz) Anciennement "The Unbelievable Bubble Book" (1987), il a commencé le sport des bulles géantes. ISBN  978-1-57054-257-2

Liens externes

• Spectacle de bulles primé international
• Galerie de photographies macro de bulles pour créer une œuvre d'art photographique
• Vidéos d'interactions bulles et gouttelettes
• Une explication scientifique plus détaillée
• Performances avec bulles et bulles géantes