Pe forma de picături și bule Pentru Știință
Cum se întâmplă ca o picătură „mică” să fie sferică? Și ce zici de „cele grase”? Și bule? Dincolo de fenomenele cotidiene, răspunsul la aceste întrebări ajută la înțelegerea modelelor anumitor obiecte cerești.
La fel ca moleculele unei picături care se condensează în sfere, în frig extrem, pinguinii împărați se înghesuie unul împotriva celuilalt într-un cerc, o formă care minimizează numărul de indivizi de pe margine, supuși viscolului.
Să începem de la o definiție a lichidelor propusă de Francis Ponge, în The Bias of Things: „Lichidul este prin definiție ceea ce preferă să asculte gravitația, mai degrabă decât să-și mențină forma, care refuză orice formă pentru a-și asculta gravitatea”. Și cine își pierde orice atitudine din cauza acestei obsesii, a acestui scrupul bolnav. "
Atât informate, cât și supuse gravitației, astfel s-ar prezenta apă pentru noi; de aici și capacitatea sa de a se potrivi containerelor sale (un pahar, albia unui râu) sau de a coborî pantele: „întotdeauna mai jos”, specifică Ponge, „astfel pare să fie motto-ul său: opusul excelsiorului”. Dar ceea ce este adevărat pentru orice corp lichid pe o scară mai mare de un centimetru încetează să mai fie și pentru globulele mai mici de un milimetru: atunci, alte forțe, mascate de forța gravitațională pe o scară mai mare, apar și modelează picăturile în sfere.
Aceste forțe, numite tensiune superficială, sunt asociate cu coeziunea oricărui corp dens (solid sau lichid): interacțiunile dintre moleculele care constituie acest corp le determină să se aglomereze. Cu toate acestea, această grupare exclude unele dintre molecule, cele care se află la marginea globulei. Prin urmare, o forță acționează asupra globulei pentru a-i da forma care minimizează numărul de molecule de pe suprafața sa: este sfera. Astfel, o picătură, atunci când este supusă doar tensiunii superficiale, într-un nor, de exemplu, va lua o formă sferică - și orice abatere de la această formă va reflecta existența altor forțe care acționează asupra globulei noastre.
Gruparea văzută din planul coloniilor de pinguini împărat pe vreme înghețată oferă o imagine bidimensională a acestui fenomen (vezi Figura 2). Similar moleculelor, pinguinii se condensează, adică se strâng împreună (pentru a se încălzi). Grupul va lua forma care „sacrifică” cei mai puțini pinguini (îi numim sacrificați pe indivizii care se află la granița grupului): este cercul. Rețineți că pinguinii de frontieră se întorc după un timp în grup pentru a se încălzi. Acestea sunt apoi înlocuite de altele care anterior erau calde. Aceste mișcări interne amintesc, de asemenea, de ceea ce se întâmplă într-un lichid în care moleculele se mișcă una față de cealaltă.
Forțe dominante
Dar care este forma reală a unei picături sau a unei bule? Totul depinde de forțele implicate. O picătură de ulei într-o vinaigretă este aproape fără greutate din cauza apăsării lui Arhimede. Forța dominantă este atunci tensiunea superficială, iar picătura este sferică.
Pentru a observa picăturile, acestea pot fi așezate și pe un suport (apă pe un material plastic sau pe o foaie). Forma depinde apoi de volumul depus: dacă picăturile foarte mari se răspândesc în bălți, din cauza gravitației, cele mai mici formează cel mai adesea capace care sunt cu atât mai sferice cu cât volumul lor este mai mic. Avem aici aplicarea principiului suprafeței minime, oricum este împiedicată de prezența solidului subiacent care dictează picăturii unghiul cu care trebuie să-l unească: dacă solidul este hidrofil, acest unghi va fi acut, în timp ce acela dacă este hidrofob, va fi obtuz. Prin urmare, sunt doar porțiuni ale unei sfere pe care le vom observa pentru picăturile (sau pentru bulele mici) plasate pe (sau sub) solide.
Cu toate acestea, putem aborda sfera completă cu materiale super-hidrofobe, pe care o picătură are un unghi de contact care tinde spre 180 °. Avantajul unei astfel de situații este evident, deoarece picăturile aderă foarte puțin la sprijinul lor. În practică, unghiurile de ordinul 170 ° sunt realizate folosind solide care sunt atât hidrofobe, cât și aspre la o scară foarte mică: apa nu intră în rugozitate și, prin urmare, se sprijină pe vârfurile texturii (ca fakirul de pe covorul său de unghii). Deoarece este mai mult aer care este sub picătură, acesta din urmă va ajunge (aproape) la starea sferoidală (vezi figura 1).
Efectul superhidrofob atinge maximul atunci când o picătură este plasată pe o placă foarte fierbinte (mult dincolo de punctul de fierbere al lichidului): o peliculă de vapori este apoi introdusă între solid și picătură, care, sprijinindu-se în întregime pe această pernă aerului, ia într-adevăr o formă sferică, așa cum înțelesese un doctor din Duisburg, dr. Leidenfrost în secolul al XVIII-lea. Pelicula de vapori izolează termic lichidul, care se menține mult mai mult decât ne-am putea aștepta. Acest lucru poate fi văzut, de exemplu, prin împrăștierea azotului lichid pe sol: perlele mici care se formează se evaporă foarte lent, ținând cont de diferența de temperatură (peste 200 ° C) care există între ele și sol. Pentru Jules Verne, acest efect izolator este cel care salvează ochii umezi ai lui Michel Strogoff cu lacrimi, în timp ce o lamă alb-fierbinte îi periază pentru a-l face orb.
Filamentul ascuțit care reține picătura în sine a făcut obiectul unor descrieri ample în anii 1990. Este un obiect efemer și remarcabil în sine. Un vârf lichid este puțin opusul unei picături: are o suprafață enormă pentru un volum foarte mic. Această rețea prezintă, de asemenea, un interes practic pentru cercetători, deoarece produce apoi picături de satelit. Dacă acestea din urmă nu contează pentru noi în cazul unei picături de la robinet, se dovedesc a fi dăunătoare pe o imprimantă cu jet de cerneală, prin estomparea rezoluției.