Mesurer la taille d'une molécule de savon (Expériences bibliques sur la tension de surface #2)

Et voilà, encore une fois, Noël est passé comme un photon solaire : bien trop vite et en ignorant la moitié de la planète. Mais que cela ne m'empêche pas de vous adresser mes meilleurs vœux ! Comme annoncé dans l'ancien testament, voici venir l'épisode 2 des expériences bibliques sur la tension de surface, consacré aux tensio-actifs. Au menu : expériences faciles et mesure de la taille d'une molécule de savon, livrées avec leurs bonus bibliques. Si vous avez des lacunes en hébreu, en écritures saintes et que le terme tension de surface ne vous dit rien, je vous laisse réviser les grands principes dans l'épisode précédent.

Previously, in desperate liquids :

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Expériences bibliques sur la tension de surface #1

C'est bientôt l'hiver, le jour dure trois heures et les sanglots longs des violons de l'automne blessent votre cœur d'une langueur monotone. En sortant de la douche, vos cheveux restent collés et vous donnent l'air d'un cadavre de loutre. Un peu plus tard, vous nettoyez rapidement le café renversé avec une feuille de sopalin. A la radio, l’élection de Sarkozy à la tête de l'UMP est confirmée. La journée commence mal.. Mais ne vous suicidez pas tout de suite, car dans chacune de ces situations, vous avez observé un phénomène physique vital : la tension de surface. Vie de grâce ! Je vous propose aujourd'hui de comprendre comment fonctionne la tension de surface, avec un petit article plein d'expériences. En bonus : un instant biblique par paragraphe, pour allier spiritualité et travaux pratiques.

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Une expérience cool et esthétique avec de l'alcool et du lait

C'est dimanche, il pleut, et vous avez épuisé vos derniers recours en termes de distractions légales ? J'ai la solution : une expérience facile, complètement inutile mais tellement cool que vous en oublierez presque votre alcoolisme dominical : verser de la crème de cassis dans du lait ! Ça marche avec d'autres boissons alcoolisées ; plus ils sont colorés, mieux c'est ! Et comme je suis d'humeur généreuse, j'ai bricolé une petite vidéo en 2-4-6 comme dirait mon père.

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Barbecue Science : bière, loi des gaz parfaits et cavitation

Avec un peu d'avance (trois semaines si j'en juge par les températures printanières), j'inaugure la saison des barbecues avec deux expériences viriles et spectaculaires à réaliser avec un minimum de matériel : écrabouiller une canette avec de l'eau froide et éclater une bouteille de bière avec la paume de votre main, afin d'illustrer la loi des gaz parfaits et le phénomène de cavitation. Enfin, j'écris "de la bière" mais libre à vous de faire ça avec des boissons compatibles avec une bonne hygiène de vie. Vous n'êtes même pas obligés de faire ces expériences pendant un barbecue !

Écrabouiller une canette avec de l'eau froide pour éprouver la loi des gaz parfaits

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Une expérience à deux euros sur les fluides non-newtoniens rhéoépaississants. Et c'est cool !

Un fluide non-newtonien, crédits

Après une semaine d’expériences sur Kidi'Science, pour laquelle j'avais adapté mon billet "Comment mesurer la vitesse de la lumière avec du chocolat et un four micro-ondes", je vous propose aujourd'hui une toute petite expérience sur les fluides non-newtoniens rhéoépaississants. Si cette appellation barbare ne vous parait pas excitante, c'est que vous n'avez pas lu ce billet sur Strange Stuff and Funky Things qui montre, entre autres, comment on peut marcher sur un liquide ! Voici deux petites vidéos de démo :

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Pourquoi les gouttes sont-elles sphériques ? Molécules, manchots et tension superficielle

L'astronaute Leroy Chiao et une bulle d'eau, NASA

Aujourd'hui, je vais essayer d'expliquer pourquoi les gouttes d'eau sont sphériques en parlant de tension superficielle et de manchots. On parlera aussi de la forme des gouttes de pluie et de leur déformation pendant la chute. Pour commencer, et si vous n'avez jamais vu un liquide en apesanteur, regardez tout d'abord la vidéo ci-dessous : une jolie expérience réalisée à bord de l'ISS. Je pars du principe que vous savez déjà à quoi ressemble un manchot :)

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Comment mesurer la vitesse de la lumière avec du chocolat et un four micro-ondes ?

A l'origine, ce billet proposait une petite expérience hyper simple et bien connue : mesurer la vitesse de la lumière avec un four micro-ondes et du fromage ou du chocolat. Comme le souligne le blog Idées de Physique, la démarche était basée sur des approximations trop grossières pour que le résultat soit acceptable. On négligeait par exemple complètement le fait que les ondes se propagent dans un milieu en 3 dimensions ce qui revenait à supposer qu'il n'existait qu'un seul mode correspondant à la longueur du four. La majeure partie de l'article n'est pas remise en question, mais clairement, le but de l'expérience est compromis. Je reviendrai sur ce point dans la suite.

Commençons par la première partie de l'expérience, on verra après pour les explications :

Il suffit de disposer le chocolat ou le fromage (ou les deux mais ce sera immangeable après) sur une assiette et d'enfourner le tout pendant 20 secondes en ayant pris soin de retirer le plateau tournant, sinon l'expérience foire lamentablement! En sortant l'assiette, vous devriez vous retrouver avec un truc comme ça :

Un mars après passage dans un micro-ondes, crédits : Philosophy of Science Portal

Votre chocolat devrait être fondu à certains endroits précis, comme sur la photo (si ce n'est pas le cas, changez l'assiette de direction et repassez-la au micro-onde). Pour comprendre pourquoi, il faut tout d'abord se rappeler comment le four à micro-ondes fonctionne. Si vous êtes pressés de manger, mesurez l'écart entre deux zones fondues consécutives au préalable. Ne vous brûlez pas et lisez la suite.

Le four à micro-ondes

Représentation d'une molécule d'eau

Pour réchauffer ou cuire des aliments, le four à micro-ondes exploite une propriété particulière des molécules d'eau contenues dans les aliments. Ces molécules sont très fortement dipolaires : elles sont comme de minuscules aimants qui ont un pôle positif et un pôle négatif. En présence d'un champ électromagnétique, elles s'orientent selon les lignes de champs. Le four à micro-ondes génère un champ électromagnétique qui oscille très rapidement : il tourne constamment et change de direction 2,45 milliards de fois en une seconde. Les molécules d'eau essaient de suivre mais n'y arrivent pas très bien, elles s'agitent et s’énervent, et par un phénomène appelé "perte diélectrique" que je ne détaille pas ici, elles dégagent de la chaleur et réchauffent les aliments. Les autres molécules présentes ne sont pas ou peu polaires et pratiquement insensibles aux oscillations du champ électromagnétique.

Les ondes stationnaires

Comment se fait-il que le chocolat soit liquide en certaines zones et pas d'autres ? Pour répondre à cette question, il va falloir parler un tout petit peu des ondes. Une onde est la propagation d'une perturbation qui affecte sur son passage les propriétés physiques du milieu. Cela peut être une variation de pression (onde acoustique), de hauteur (vague dans la mer) ou même un ralentissement sur l'autoroute. Les ondes émises dans le four sont des ondes électromagnétiques, c'est à dire qu'elles affectent les champs électriques et magnétiques (qui sont indissociables). Elles ont cette forme :

Représentation d'une onde électromagnétique

Visualisation de la propagation d'une perturbation electromagnétique. Crédits : Jacob Dilles, ici

Elles provoquent des variations continues du champ en tout point du four avec une fréquence de 2,45 GHz, c'est à dire 2 450 000 000 Hz. Cela signifie que, si en un point, à un instant, le champ est maximal et orienté vers le haut, alors il sera de nouveau maximal et orienté vers le haut 0,4 milliardièmes de secondes plus tard (1 divisé par 2 450 000 000). Sur l’illustration, on voit également la longueur d'onde (notée lambda) qui correspond à la distance entre deux états identiques de l'onde (2 maximums par exemple).

Comme ces ondes sont émises dans une enceinte fermée, elles sont réfléchies par les parois et se superposent, créant des ondes dites "stationnaires". Au lieu de varier continuellement au cours du temps, le champ prend des valeurs nulles et maximales en certains points fixes. Cette petite animation permet de visualiser le phénomène, on peut y voir deux ondes se propageant en sens contraire. L'onde résultante (la superposition des ondes rouge et bleue, est une onde stationnaire.

Onde stationnaire, crédits : Wikipédia

Les points où le champ est nul sont appelés "nœuds" et les points où le champ est maximal, "ventres". A proximité des nœuds, le champ est très faible voire nul. Les molécules d'eau ne sont donc pas très agitées et la température peu élevée. A l'opposé, aux points où le champ est très fort, les molécules d'eau sont très excitées et dégagent beaucoup de chaleur. Ceci a pour effet de créer des zones plus ou moins fondues dans votre chocolat. Pour remédier à ce problème, les fabricants équipent leurs fours d'un plateau tournant et de dispositifs de diffraction (les petits trous et les renfoncements à l'intérieur).

Dans la suite de cette expérience, on ne considère que les ondes qui se propagent dans l'axe de la longueur du four. En réalité, les ondes se propagent dans toutes les directions, se superposent et créent un motif beaucoup plus complexe. L'image ci-dessous, tiré de l'article "Peut-on vraiment mesurer la vitesse de la lumière avec un four microonde et du chocolat ?" montre comment se répartissent vraiment les ventres et les nœuds :

Visualisation de la structure réelle de l'onde stationnaire dans un four à l'aide d'une caméra de thermographie infrarouge. Vollmer M, Physics of the microwave oven, Physics Education, 2004, 39:74-81

Calcul de la vitesse de la lumière

L'onde stationnaire dans le micro-onde, crédits : ici

Cette partie s'appuie sur une supposition fausse : celle que les ondes ne se propagent que dans l'axe de la longueur. Cependant, vous pouvez néanmoins poursuivre, il serait intéressant de voir quelle valeur de longueur d'onde vous mesurez. Voici la démarche initiale : en mesurant la distance qui sépare deux zones fondues consécutives, vous mesurez la distance entre 2 ventres, c'est à dire la moitié de la longueur d'onde de l'onde stationnaire (voir schéma ci-contre). Vous devriez trouver une longueur d'onde d'environ 2 x 6 = 12 cm (0,12 m). Maintenant, il va falloir utiliser cette petite formule pour estimer la vitesse de la lumière : 

 λ = c / f

où c est la vitesse de la lumière, λ (Lambda) la longueur d'onde et f, la fréquence. La vitesse de la lumière est donc égale à λ multiplié par f :

 0,12 x 2 450 000 000 = 294 000 000 m.s^-1

ce qui est une assez bonne estimation de la vitesse de la lumière (299 792 458 m.s^-1), compte tenu de l'imprécision du dispositif.

Pour ma part, j'avais mesuré une longueur d'onde similaire avec une assiette de fromage rappé. Il faut croire que j'ai eu de la chance ou que j'ai inconsciemment judicieusement choisi une zone compatible avec les résultats que j'espérais ! Si vous réalisez l'expérience, n'hésitez pas à me communiquer vos résultats !

Une petite anecdote pour finir : l'idée du four à micro-ondes revient à Percy Spencer, un ingénieur de la firme Raytheon, spécialisée dans les radars. En travaillant à proximité d'un radar (qui fonctionne avec des micro-ondes), il s’aperçoit que la barre chocolatée dans sa poche commence à fondre et que les conditions de sécurité sur son lieu de travail laissent à désirer. Il dépose en 1945 un brevet pour un nouveau type de four : le "radarange". The rest is History.

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Fabriquez de la "glace chaude" instantanément et du bout des doigts : la magie de la métastabilité

Vous en avez marre des expériences de chimie fastidieuses, corrosives et aussi spectaculaires que la chute d'une feuille morte ? Voici une expérience facile, pas trop chère et plutôt cool :)

Une expérience facile et spectaculaire

Pour reproduire l’expérience, il vous faut une arrivée d'eau de type robinet, une casserole, mais surtout de l'acétate de sodium. On peut s'en procurer chez son pharmacien (s'il est sympa), chez un ami chimiste (s'il est sympa), chez un revendeur spécialisé (en ligne, c'est le plus simple) ou même sur des sites comme ebay. Vous pouvez aussi en fabriquer vous même avec du vinaigre blanc et de la soude, mais c'est un peu long. 

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Psychologie, personnalité et horoscope : l'effet Barnum

Comment les astrologues s'y prennent-ils pour rédiger des horoscopes qui semblent souvent pertinents ?

En France, 58% de la population pensent que l'astrologie est une science, 33% croient à l'influence des signes astrologiques et 18% croient aux prédictions faites sur la base des signes astrologiques (1). Ce chiffre se rapproche de la proportion des Français qui croit en dieu (mais attention, ce ne sont pas forcément les mêmes personnes, la bible condamne d'ailleurs ironiquement l'astrologie). Enfin, 0% des adultes interrogés croient au père noël, car cela n'est pas rationnel. Chaque jour donc, des millions de personnes lisent l'horoscope du 20 minutes et y croient suffisamment pour modifier leurs actions sur le plan social, amoureux ou professionnel, ce qui est aussi inoffensif et pas plus déraisonnable que de croire en un dieu. Cependant, il arrive que l'astrologie influe des décisions autrement plus importantes qu'une embauche ou la démission d'un ministre. En Birmanie, le chef de l'état Ne Win avait décidé d'introduire des billets dont les valeurs seraient des multiples de 9 (son chiffre porte-bonheur) et le déménagement de la capitale s'est vraisemblablement fait sur les conseils d'un astrologue. Chez nous aussi, certains présidents, comme Mitterrand avec Élisabeth Teissier, prennent conseils chez les astrologues. Mais revenons à notre sujet : commencez par cliquer sur votre signe astral dans la liste ci-dessous pour lire avec attention, non pas votre horoscope, mais la description de votre personnalité (le lien s'ouvre dans une nouvelle fenêtre). Retenez bien les informations qui y figurent.

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