Trois gouttes d’huile

Pour faire des découvertes en physique, est-ce qu’il faut forcément un télescope de 10 mètres de diamètre, un microscope électronique à balayage ou un accélérateur de particules de 25 km de long ? Même pas ! Dans plein de domaines de la physique, même subatomique, on peut faire plein de choses avec trois fois rien. Enfin, juste quelques gouttelettes.

Goutte #1

La première goutte d’huile est la plus célèbre, et fait partie des images d’Épinal scientifiques: en 1762, Benjamin Franklin est en Angleterre et se promène le long de l’étang de Clapham. Il verse une petite cuiller d’huile dans l’eau[1], et il observe qu’elle s’étale sur une très grande surface. Et que cette surface perd ses petites ridules, et devient parfaitement lisse (une « mer d’huile », donc). Donc ce qui l’intéresse, c’est l’effet de l’huile sur ce qu’on appellera plus tard la tension de surface. On parle souvent des découvertes faites par hasard, et parfois on les résume un peu trop vite à un coup de chance. Sauf que quand on tombe accidentellement sur quelque chose, encore faut-il le voir. Et Franklin, ici, ne voit pas qu’il vient de trouver une borne supérieure à la taille des atomes, s’ils existent (ce qui est encore loin d’être sûr à l’époque).

Le calcul n’est pourtant pas compliqué: selon Franklin une cuiller à café (2 cm3) recouvre une demi-acre (2000 m²). En soi, ça ne prouvait pas l’existence de particules élémentaires, pas plus que ça ne donnait leur taille… mais ça permettait quand même de fixer une limite à celle-ci: les molécules d’huile sont forcément plus petites qu’un nanomètre, ou un milliardième de mètre[2] !  Mais Franklin a loupé le coche. C’est Lord Rayleigh qui refait l’expérience beaucoup plus minutieusement en 1890 et en déduit une confirmation de l’extrême petitesse des molécules (il trouve 1,63 « micro-millimètres »).

Et la tension de surface, alors ? Dès l’année suivante, Rayleigh transmet au journal Nature la lettre qu’il a reçue d’une jeune Allemande de 28 ans, Agnes Pockels, qui, faute d’avoir eu le droit d’étudier à l’université, a investigué l’effet de divers contaminants sur la tension de surface de l’eau… dans sa cuisine, avec une balance, un fil et un bouton. Au cours des années suivantes, accueillie à l’université de Braunschweig, elle va continuer ses travaux sur les films liquides, participer à fonder ce nouveau domaine d’étude, et parvenir à des mesures très précises de la tension superficielle… en inventant un appareil qui ne portera jamais son nom, mais qui préfigure ce qui sera plus tard une « cuve de Langmuir ».

Goutte #2

La seconde goutte d’huile est la plus spectaculaire. 1908: il y a 10 ans que Joseph Thomson a montré que les rayons cathodiques étaient constitués de petites particules qu’on a baptisés « électrons », puisque ce sont leurs déplacements qui constituent les courants électriques[3]. Donc chacune de ces toute petites particules porte une charge électrique, toute petite elle aussi. Comment mesurer quelque chose d’aussi infinitésimal ? Encore avec une goutte d’huile ! Avec son étudiant Harvey Fletcher, Robert Millikan, professeur à Chicago, va mettre en œuvre une expérience extraordinairement ingénieuse.

Pour commencer, on construit une boîte entre deux plaques métalliques horizontales, et on y pulvérise des toutes petites gouttelettes d’huile qu’on a d’abord ionisées (et qui sont donc porteuses de charges électriques… mais combien ?). Les gouttes tombent, et comme il y a du frottement dans l’air, elles tombent à vitesse constante. Alors on branche les deux plaques sur une pile… Les gouttes subissent une force électrique, proportionnelle à leur charge et à la tension imposée. Si celle-ci est suffisante (et dans le bon sens), cette force compense le poids… et les gouttes restent en lévitation !

En mesurant la tension qu’il faut imposer pour maintenir les gouttelettes en suspension, on peut donc remonter à leur charge électrique. Et Millikan trouve que cette charge est systématiquement le multiple entier d’une toute petite quantité[4]. Peu importe combien chaque gouttelette a perdu d’électrons… Cette petite quantité, c’est forcément la charge électrique élémentaire, celle que porte un électron unique. Et voilà: comme Rayleigh qui ne voyait pas les molécules d’huile, sans jamais avoir vu l’électron, on connaît désormais sa charge… et grâce à l’expérience de Thomson, sa masse.

Goutte #3

La troisième goutte est la plus… lente. En 1927, le physicien britannique Thomas Parnell, qui travaille à l’université du Queensland en Australie, veut faire une démonstration pour ses étudiants. Il fait chauffer de la poix, un mélange très épais de goudrons et résines, et il la verse dans un entonnoir fermé. Trois ans après, la poix a bien refroidi… et est devenue complètement solide (on peut la casser avec un marteau). Mais « solide » est-il l’opposé de « fluide » ?

Parnell enlève le bouchon, et attend. Longtemps. La poix est solide, mais elle se déforme quand même sous l’effet de son propre poids. Très, très lentement, elle descend dans le bec de l’entonnoir. Et en 1938 une première goutte se détache et tombe. Puis une deuxième… en 1947. Et ainsi de suite. En observant la déformation de la goutte avant qu’elle ne se détache, on peut remonter à la viscosité du fluide: la poix est à peu près 20 milliards de fois plus visqueuse que de l’eau, ou 2 millions de fois plus que du miel.

Mais avec un peu d’ingéniosité on peut mesurer encore plus visqueux ! Si on observe à quelle vitesse avance un glacier alpin, on trouve que la glace est encore un million de fois plus visqueuse que la poix ! Et finalement, grâce au soulèvement de la Scandinavie, on peut même faire le calcul pour les roches (tout à fait solides) du manteau terrestre: dix-mille milliards de fois plus visqueuses que la poix !

Comment coulent les choses, même quand elles n’ont pas l’air vraiment liquides: avec sa petite démonstration, Parnell était en avance sur une discipline qui va devenir un immense champ d’étude: la « rhéologie ». Et alors que l’expérience australienne approche de ses 100 ans, l’entonnoir est toujours là: la neuvième goutte s’est détachée en 2014. Et désormais une webcam est braquée en permanence sur l’entonnoir: si vous ne savez pas quoi faire pendant les cinq à dix prochaines années, allez guetter sa chute !


Aller plus loin

  • J’aurais pu ajouter une quatrième goutte, beaucoup plus récente. À l’orée des années 2000 on étudie les effets curieux de l’électro-mouillage: si une petite goutte d’huile est posée sur une surface solide, sa forme change quand on la soumet à une tension électrique… Quelques années plus tard, ce changement de forme a été exploité (notamment par le physicien lyonnais Bruno Berge) pour faire de la goutte d’huile une « lentille liquide », dont il est facile, robuste et économique de contrôler la focale, et qui peut équiper notamment les téléphones portables !
  • Et bien sûr, les gouttelettes sont à l’honneur dans les récentes, et très élégantes expériences de gouttes vibrées initiées par Yves Couder, qui mériteraient bien plus qu’un paragraphe, et qui sont ici magnifiées par le film du projetLu.

 

  • Un autre billet, de David Louapre, sur l’expérience de Franklin. L’article original de Rayleigh. Et bien sûr les P’tites Manips: comme Agnes Pockels, refaites l’expérience de Rayleigh à la maison avec du poivre et du liquide vaisselle !
  • L’expérience de la goutte de poix a été reproduite à plusieurs reprises, par exemple à Dublin où on a pu filmer pour la première fois la chute d’une goutte en 2013. Elle est également visible au Musée National d’Écosse à Édimbourg. Il semble d’ailleurs que la goutte australienne ne soit même pas la plus vieille du monde: un vieil entonnoir rempli d’une poix encore plus épaisse a ainsi été redécouvert dans un laboratoire gallois. Apparemment installée en 1914, cette expérience… n’a toujours pas produit une seule goutte ! Et encore plus tôt, Lord Kelvin avait lui aussi utilisé de la poix pour montrer comment coulent les glaciers.
  • Et enfin, une autre expérience prévue pour durer très, très longtemps, mais en biologie.

[1] Il ne le fait pas par hasard, mais parce qu’il veut tester quelque chose qu’il a lu chez Pline: dans le sillage d’un navire, après que les cuisiniers y ont balancé les eaux grasses de leur vaisselle, la surface de la mer est plus lisse qu’aux alentours.
[2] Et en fait, c’est bien l’ordre de grandeur des grosses molécules d’acides gras: donc le film de Franklin fait bien une molécule, et une seule, d’épaisseur !
[3] C’est le physicien irlandais George Johnstone Stoney qui avait proposé ce nom, avant même que la particule ne soit découverte.
[4] Autour de 10-19 coulombs. Ce qui veut dire qu’un courant électrique de 1 ampère, c’est un « débit » de 6 milliards de milliards de charges élémentaires par seconde.

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2 réflexions sur “Trois gouttes d’huile

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