Les molécules d’eau ont des propriétés particulières qui leurs permettent de se lier assez fortement entre elles dans l’eau liquide ou bien avec d’autres molécules sur des parois solides.

Gouttes, bulles de savons ou films d’eau savonneuse tendus sur des structures fournissent des moyens pour illustrer le comportement d’objets soumis à des forces dont la configuration évolue de manière à minimiser l’énergie associée à ces forces.

Par exemple une bulle de savon est sphérique car la sphère est la forme qui permet de contenir une quantité d’air donnée en ayant une surface minimale.

La distribution des électrons, dans une molécule d’eau, crée une zone négative autour de l’atome d’oxygène et positive autour des deux atomes d’hydrogène. Cette répartition induit des forces d’attraction entre l’oxygène et l’hydrogène appartenant à deux molécules différentes (liaisons hydrogène) assurant la cohésion du liquide. Imaginons que l’on veuille éloigner l’une de l’autre des molécules situées en surface, afin d’étendre cette dernière. Des molécules situées au-dessous doivent monter à la surface mais cela nécessite un certain travail pour les y amener puisque elles sont préférentiellement « tirées » vers le bas par leurs voisines. Tout se passe comme si la surface du liquide était recouverte par un film invisible. Parfois on parle de « la peau de l’eau » mais cela est inexact car il s’agit d’eau tout simplement.

En effet, le mécanisme est très différent dans les deux cas : pour étirer un film élastique il faut tirer de plus en plus fort alors que l’on augmente la surface de l’eau en appliquant toujours la même tension. L’énergie « stockée » est simplement proportionnelle à la surface si bien qu’un volume d’eau placé à l’air libre va adopter une configuration qui minimise sa surface qui est en contact avec l’air.

D’autres phénomènes similaires, d’attirance entre charges de signes opposés, entre les molécules d’eau et les constituants des parois, permettent à l’eau de « s’accrocher », voire de progresser le long de ces parois. Cette progression est limitée car les molécules progressant sur la paroi en entrainent d’autres reliées à elles par les liaisons hydrogène. Le poids de l’eau ainsi soulevée va compenser la force d’ascension.

Les films d’eau savonneuse permettent d’étudier certains de ces phénomènes. Le savon isole un film d’eau entre deux couches de molécules de savon et diminue la tension de surface du film. Nous présentons quelques exemples à 1, 2 et 3 dimensions.

Quelques exercices sont proposés afin d’illustrer la tension qui existe dans un film d’eau savonneuse.

L’évolution des films d’eau vers des configurations de surface minimale est utilisée pour résoudre quelques problèmes simples : l’ordinateur à eau savonneuse.

Enfin, à 3 dimensions nous pourrons apprécier les régularités ainsi que la beauté des films de savon reliant les arêtes de quelques solides familiers.

Une description détaillée de l’atelier est donnée en annexe ainsi que des copies d’affiches explicatives.

Contact : patrick.roudeau@ijclab.in2p3.fr