Expériences sur la tension superficielle

CIRUISEF
Introduction aux techniques expérimentales – Armoire de Physique
Tension superficielle
Par Michel Gouet [email protected]
Les forces de capillarité rendent compte de l’énergie nécessaire pour créer une surface libre d’un liquide. En ce
sens elles reflètent l’effet de cohésion d’un liquide. Elles sont à l’œuvre dès que ce dernier présente une surface
libre en contact avec un solide, un gaz ou un autre liquide pour réduire cette surface.
Importance pratique de la tension superficielle
Mouillage des surfaces (y compris les surfaces biologiques, facilitant ou diminuant les absorptions par les
plantes lors des pluies ou des rosées, impression offset…), étalement des peintures et des lubrifiants, adhésion
et collage, détergents, émulsification ou coalescence de liquides non miscibles, floculation, capillarité…
Que contient ce document ?
Nous décrirons d’abord des démonstration qualitatives (de cours ou de TP) qui mettent en évidence
l'existence de la tension interfaciale, puis décrirons trois manières de mesurer celle-ci : méthode de la goutte
pendante, du compte-gouttes, et de l'arrachement, les deux dernières étant réalisables sans grande dépense en
n’achetant que des matériels non spécialisés.
La durée indicative pour les expériences des étudiants a été indiqu ée. Bien entendu, la réalité peut être fort
différente selon leur entraînement ! Une première prise de contact avec les propriétés des fluides (pression
hydrostatique, loi de Bernoulli, viscosité, observation qualitative d’un écoulement turbulent, tension
superficielle) justifient 5 à 6 h de T.P, soient 2 séances de 3h.
Les coûts ont été évalués sans tenir compte de l’équipement « de base » d’un labo de Physique (microordinateur
et imprimante noir & blanc), le matériel d’atelier ni les consommables courants (piles…).
Un autre document (« Construction de matériels de T.P ») donnera des idées sur la manière de construire des
montages solides et d’apparence suffisamment soignée pour ne pas être méprisés par les étudiants. En effet, il
ne faut jamais oublier que la manière de réaliser les T.P. servira plus ou moins consciemment de modèle pour
ce que réaliseront plus tard vos étudiants !
J’ai réalisé effectivement toutes les expériences décrites, mais exercez-vous avant de les présenter aux
étudiants !
Aspects théoriques
Nous ne les développerons pas, tout se trouvant aisément sur Internet.
Le bilan des forces s’exerçant entre les molécules d’une phase (en général on considère un liquide) et de son
environnement (autre liquide, gaz ou solide) fait que « tout se passe comme si » les interfaces subissaient des
forces tendant à les réduire.
Par exemple dans le montage ci-après (que l’on peut effectivement réaliser) la lame de liquide (eau savonneuse,
à gauche) tire le segment mobile vers la gauche avec une force F = 2  L. Le coefficient 2 vient du fait qu’il y a
deux surfaces, supérieure et inférieure.
Ceci définit la tension superficielle , qui est exprimée en force par unité de longueur ou en énergie par unité de
surface. En fait, cette grandeur  implique à la fois le gaz environnant (g) et le liquide (l), il faudrait la noter gl.
Un complément plus rarement abordé théoriquement mais indispensable à la compréhension de beaucoup
d’observations est le celui de l’interface entre 3 milieux, par exemple solide / liquide / gaz,
ou solide / liquide1 / liquide2., c’est la description du phénomène de mouillage.
Imaginons une goutte de liquide sur un solide lisse, le tout placé dans un gaz (air), et généralisons à trois phases
(1), (2) et (3). Ci-après, le solide est la phase (1), le liquide la phase (2) et le gaz la phase (3).
Trois forces s’exercent sur un élément dl de la ligne de contact des trois phases (ici vu en coupe), et sont de
modules : F1/2 (gaz-solide) = .dl , F2/3 (gaz-liquide) = .dl et F1/3 (solide-liquide) = .dl.
En prenant pour repère le solide, l’interface se déplace jusqu’à ce que le bilan des composantes parallèles à sa
surface soit nul, d’où cos  = ( – 1/2) / 2/3. (relation de Young & Dupré).  est l’angle de raccordement.
Dans l’air, un liquide mouillera d’autant plus un solide que cos  sera proche de 1. Pratiquement, dans l’air 
est très proche de 0 pour de l’eau sur du verre très propre : l’eau mouille très bien le verre propre.
Reste à comprendre la signification des trois tensions interfaciales, mais c’est une autre histoire…
.
Quelques expériences qualitatives
(de cours ou à faire réaliser par les étudiants).

Mouillage de diverses surfaces par divers liquides
Plaques ou feuilles de plastique diverses (verre, contreplaqué mélaminé ou recouvert de peinture
acrylique ou vinylique, couvre-cahiers ou carrés de nappes en PVC ou polyéthylène, celluloïd, film
radiographique revêtu d’une gélatine, , papier, papier huilé…) et liquides (Eau, eau + liquide vaisselle,
alcool à brûler, white spirit). On observe l’étalement plus ou moins net de l’eau, ou la formation de
gouttes roulantes. On peut aussi comparer le mouillage d’un tissu de coton brut, ou vaporisé d’un spray
imperméabilisant.

Observation de surfaces naturelles mouillables ou non (au moins photographies)

Maintien en flottaison d’objets de masse volumique supérieure à celle de l’eau (épingles, trombones de
bureau… qui devraient couler. (On peut tricher un peu en les « graissant » préalablement..). On peut les
faire couler en ajoutant une goutte de produit vaisselle.
Vidage progressif de bulles de savon dans le tube de « gonflage ». On peut utiliser de l’eau de savon, du
détergent vaisselle dilué au 1/3, ou de préférence du mélange très bon marché spécial pour bulles de
savon (qui contient aussi de la glycérine qui rend les bulles plus durables) (bazars et magasins de
jouets)..


Rassemblement spontané des gouttes de gras dans le bouillon (la pression dans les petites est supérieure
à celle dans les grandes, l’énergie de deux petites est supérieure à celle d’une grande de même volume
total). Peut se simuler aisément en amphi dans une cuve transparente sur une plaque de rétroprojecteur
(gouttes d’huile colorée avec encre de stylo-bille liposoluble mais insoluble dans l’eau, sur de l’eau).

Loi de Jurin : de l’eau monte dans un tube capillaire de verre (voir plus loin expérience quantitative).

Tension d’une boucle de fil (plonger le montage dans l’eau savonneuse, laisser ressuyer, puis toucher
avec un papier l’une des lames d’eau qui se rompt. Le fil se tend).

Remontée d’eau dans milieu poreux par capillarité.(craie, plâtre). On peut peser ou utiliser de l’eau
colorée (encre) pour montrer à un groupe.

Mouillage de sables, infiltration dans sables très secs avec ou sans produit détergent, renardage.

Collage des poils d’un pinceau, de cheveux, etc.
(cette photo n’est pas de moi…)
http://www.celkilt.com/le-chat-mouille-chamouilley-52/
Les travaux pratiques quantitatifs faisables par les étudiants
Loi de Jurin dans des tubes capillaires

Durée 30 minutes, exploitation 20 minutes. Coût <15 € / poste + si possible appareil photo.
 Idée initiale
Un liquide monte d’autant plus haut dans un capillaire qu’il est plus fin (rapport circonférence/surface plus
grand). On compare la montée h d’un liquide de masse volumique  dans des capillaires de verre de plusieurs
rayons r. Si le ménisque est sphérique, h = 2  cos / r g ( = angle de raccordement, pratiquement cos  = 1
pour de l’eau et du verre).
 Matériel
Divers tubes de verre, de diamètre intérieur entre 0,5 et 5 mm, réglet, appareil photo permettant la
macrophotographie. Un jeu de tubes capillaires a été apporté à Bambey pour démonstration. Mais il devient très
difficile de s’en procurer ces tubes capillaires.
Cuve quelconque contenant de l’eau ou le liquide à étudier.
Réglet 15 ou 20 cm ou double-décimètre plastique.
Support pour maintien des tubes (peut être bricolé).
Appareil photo et de quoi imprimer les clichés.
 Montage et expérience
Les diamètres des tubes sont déterminés par macrographie des tranches posées sur un réglet (éventuellement
une fois pour toutes, tirage mis à la disposition des étudiants) (trois tubes dans notre cas)…
Les trois tubes de verre sont collés bien parallèles sur une plaquette plastique ou contreplaqué (gouttes
d’Araldite), cette plaquette étant soutenue par un support à pince classique de laboratoire.
Les hauteurs de montée sont évaluées directement grâce au réglet, une amélioration serait de coller le réglet
verticalement sur le support des tubes et de photographier…
 Précautions et remarques :
- La propreté des tubes doit être rigoureuse, ils sont difficiles à bien nettoyer. Donc surtout ne pas essayer avec
autre chose que de l’eau très pure (déminéralisée) ou un liquide volatil (alcool). Pas de détergent ou de matière
grasse qu’on aurait du mal à éliminer totalement ensuite.
- Pour bien mouiller le tube, l’enfoncer un peu trop et le ressortir.
- Les tubes de verre sont très faciles à couper : une très légère rayure en tournant avec une lime tiers-point
(triangulaire), et on le tire en le fléchissant un peu.
- On peut aussi déterminer le diamètre intérieur des tubes en mesurant longueur et diamètre extérieurs (pied à
coulisse ou, mieux, palmer) et en les pesant (masse volumique du verre borosilicaté de chimie (Pyrex) : 2,23
g/cm3). La masse manquante est celle du « trou » !
- Il est devenu très difficile de se procurer des tubes capillaires de verre, même dans les laboratoires de chimie,
malgré leur coût dérisoire (plus personne ne travaille le verre dans les labos). C’est pourquoi cette expérience
classique sera peut-être impossible à réaliser chez vous. Si vous visitez un labo qui peut vous en donner, c’est
que vous êtes chanceux !
Loi de Jurin avec un dièdre

Durée 15 minutes, exploitation 20 minutes, coût <15 €/poste environ.
 Idée initiale :
Comme ci-dessus, mais le liquide monte entre deux lames planes qui s’écartent progressivement.
Il est « tiré » vers le haut par les faces avant et arrière, on néglige les forces latérales.
 Matériel :
- Deux lames minces de verre (lames porte-objets standard de microscopie). Quelques lames ont été données
aux stagiaires de Bambey pour commencer.
- Tige pour écarter les lames d’un côté (ici foret de 1 mm),
- Pince de papeterie ou ruban adhésit type « scotch » polyester,
- Récipient pour le liquide,
- Réglet si l’on veut faire des mesures.
- Si possible appareil photo, ordinateur et imprimante.
 Précautions et remarques :
- Propreté rigoureuse des plaques (nettoyage à l’alcool en frottant bien, essuyage puis séchage quelques
minutes).
- Le récipient doit être rempli à ras bord
- Imaginez un système de suspension, cela sera plus pratique
- Pour faire confortablement des mesures, fixez le réglet dans le même plan que le montage, et photographiez.
- Les plus aventureux pourront essayer de calculer l’équation de la courbe (c’est normalement une branche
d’hyperbole, mais il y a des effets de bords).
Premier essai
Mouillage irrégulier
Après dégraissage à l’alcool et séchage
-
Conséquence : attention aux manomètres dissymétriques: la capillarité peut fausser
considérablement les résultats si l’un des diamètres est faible ! Mais on peut corriger…
Méthode de la goutte d’eau (Patrice Jenffer, ESPCI)
Durée 1h (avec prise en mains enregistrement), coût > 500 €/poste
 Matériel
Seringue micrométrique (très cher ! env 350 € H.T.),
Matériel de prise de vues rapide (50 images/s) avec objectif macro (env 400 €), partageable en 2 ou 3 postes.…
 Remarque :
En raison du coût et de la fragilité de ce matériel, nous pensons qu’il est hors de portée des labos universitaires.
D’ailleurs ce n’est pas une méthode classiquement utilisée, mais surtout une occasion d’acquérir un savoir-faire
de travail très précis.
Pesée de gouttes (méthode du compte-gouttes ou stalagmomètre)

Durée 15 minutes, exploitation 15 m, coût < 25 €/poste
 Idée de départ
On pèse les gouttes issues d’un compte-gouttes ordinaire (en verre si possible).
Lorsqu'un liquide de masse volumique , s'écoule par un tube fin, le poids des gouttes obtenues est
proportionnel à la tension superficielle  du liquide et au rayon extérieur R du tube : mg = kR (loi de Tate).
On peut compter le nombre N de gouttes qui s'écoulent pour un volume V donné délimité par deux traits de
jauge gravés sur le tube (stalagmomètre), ou peser un certain nombre de gouttes au moyen d’une balance très
sensible (méthode que nous suggérons).
 Matériels :
- Compte-gouttes classique (à pointe de verre si possible),
- Balance de sensibilité 10 mg (fournie dans le kit de départ du stage),
- Récipient léger pour poser sur la balance et recevoir les gouttes.
- Les compte-gouttes à pointe en verre sont bien mouillés et de forme d’extrémité bien définie. Bon marché, on
doit pouvoir s’en procurer auprès des pharmaciens locaux. Ils servent aussi aux dosages d’huiles essentielles
(parfumeries, magasins de produits « naturels »).
 Précautions et remarques :
- Comme toujours, propreté rigoureuse indispensable.
- Par principe méthodologique, apprendre aux étudiants qu’il faut vérifier son matériel de mesure. Ici nous
suggérons de le faire, dans le domaine de forces mesurées, avec un poids étalon à saisir avec une pince brucelle.
- Peser 10 à 40 gouttes pour plus de précision.
- Une goutte d’eau « officielle » à 20°C pèse 50 mg selon les pharmaciens.
- Possibilité de mettre en évidence l’effet de traces de détergent (bien nettoyer le compte-gouttes après !).
- Tenir le compte-gouttes bien vertical pour avoir une surface de rétention bien définie.
Arrachement d’une lame
 Idée de départ
Une lame de platine, parfaitement propre, de longueur L, plongée dans un liquide de tension superficielle , est
soutenue par le levier d'une balance de torsion qui permet de mesurer la force F exercée sur la lame (le zéro est
réglé lorsque la lame est dans l'air). On soulève doucement la lame jusqu'à ce qu'elle affleure le liquide (la
poussée d'Archimède est alors nulle) et on mesure alors la force.  = F/2L (il y a 2 faces).
Nous avons adapté ce dispositif en utilisant une lame de verre (plus économique que le platine, mais ce dernier
peut être débarrassé de tous éléments parasites organiques en le passant à la flamme) et une mini-balance du kit
de démarrage. Et nous tirerons sur la lame jusqu’à l’arrachement (rupture de la couche liquide).
La difficulté des mesures réside dans la traction qui doit être très progressive et sans a-coups.
Nous proposons deux dispositifs, l’un est minimaliste, l’autre permet une bien meilleure reproductibilité mais
nécessite du bricolage plus conséquent.
Arrachement d’une lame 1 : Traction par un ressort

Durée 15 à 20 minutes, exploitation 15 minutes, coût <25 € /poste.
On tire sur la lame en levant à la main un ruban (ou fil) élastique, qui fait ressort et atténue les tremblements et
vibrations.
Dans notre cas, il s’agit d’un ruban résistif en alliage nickel-chrome récupéré dans la résistance d’un fer à
repasser hors d’usage (épaisseur 1/10 mm, largeur 1,5 mm, longueur utilisée 15 cm. On pourrait aussi utiliser
un simple fil fin d’acier, mais il aurait tendance à tourner.
 Matériel
- Balance sensible à 10 mg (cf kit de démarrage). La balance doit pouvoir afficher des valeurs négatives.
- Lames de verre (lames porte-objet de microscopie, dimenzsions standard 25,4x76,2 mm ep 1mm env,
ou lames couvre-objets). Quelques-unes ont été fournies dans le « kit ».
- Récipient léger pour le liquide, léger mais assez large pour y immerger la lame.
- Fil électrique fin (de câblage électronique) (support de la lame)
- Ruban métallique ou fil métallique assez souple faisant ressort
- Colle genre Araldite

Réalisation
- D’abord préparer les plaques de verre en y collant une demi-boucle de fil métallique fin (cf photo), aussi
symétriquement que possible, par deux gouttes de colle, laisser durcir
- Façonner le ruban ou le fil sous forme de ressort avec une extrémité en crochet.
- Ajuster l’extrémité du ressort précédent et le « manche » des plaques de verre de manière à pouvoir les
soulever très progressivement en ne tenant que l’extrémité du « ressort », et que la base du verre reste aussi
horizontal que possible.
- Puis bien nettoyer la partie inférieure des plaques de verre (alcool), laisser sécher.
 Manipulation
- Allumer la balance, vérifier son bon fonctionnement : apprendre aux étudiants qu’il faut vérifier son matériel
de mesure. Ici nous suggérons de le faire, dans le domaine de forces mesurées, avec un poids étalon (5g) à saisir
avec une pince brucelle pour ne pas le polluer.
- Placer le récipient de liquide, faire la tare.
- Immerger la plaque de verre de quelques millimètres, et la tirer très délicatement vers le haut.
- Noter le poids indiqué par la balance juste avant la rupture du film de liquide. Ce poids (négatif) correspond à
la traction limite que peut supporter la lame de liquide.
- Recommencer plusieurs fois et ne retenir que les valeurs les plus élevées.
 Remarques
- Les valeurs les plus faibles de résistance de la lame d’eau peuvent être éliminées, elles correspondent à des
vibrations ou tremblements.
- On peut ajouter des traces de détergent, mais bien rincer les lames et le récipient après !
- Si la lame de porte-objet est trop longue (habituellement 7 cm), on peut assez facilement la raccourcir après
avoir amorcé la rupture par une fine rayure de lime tiers-point, puis en la courbant sans trop forcer.
- Les lames couvre-objets sont plus petites, et bien plus minces, l’erreur dûe à la masse d’eau retenue par la
lame avant sa rupture et aux tractions sur les extrémités est relativement plus faible. Mais aussi beaucoup plus
fragiles et difficiles à nettoyer.
Arrachement d’une lame 2 : Traction par une « grue »

Durée 15 à 20 minutes, exploitation 15 minutes, coût < 30 € /poste.
 Idée de départ :
Les photos suffisent à comprendre le montage. Le mouvement des doigts entre les poulies et la tige filetée qui
sert d’axe d’enroulement est démultiplié, ce qui permet de relever très progressivement la lame.
Les dimensions ne sont pas critiques.
 Matériel nécessaire par poste:
- Le même que précédemment, sauf le ressort, et :
- Quelques plaques de contreplaqué ou d’aggloméré 17 mm (dimensions sur les schémas)
- 4 vis à tête fraisée pour aggloméré 4mm x 40 mm
- Tige filetée diam 4 mm, L 18 cm , 8 ou 10 écrous et 4 rondelles correspondants
- Fil de pêche souple (multibrins si possible)
- Crochet (fil de câblage rigide)
- 2 poulies ou 2 couvercles de tôle emboutie pour bocaux de verre (ou équivalent).
Matériel d’atelier pour la réalisation:
- Perçeuse (si possible à colonne), forets de 2,5 ou 3 mm, 4 mm, 8 mm ou fraise pour encaster têtes de vis
- Peinture à l’hule, enduit gras, papier émeri moyen et fin.
- Si possible scie sauteuse, râpe à bois.

Réalisation
- Les schémas ne sont qu’indicatifs.
Ils permettent une manipulation aisée par gauchers et droitiers, avec accès facile aus zones fonctionnelles.
- Bien veiller surtout à la résistance à l’eau (contreplaqué marine plutôt qu’aggloméré, peinture à l’huile, enduit
gras…) car l’utilisation provoquera des mouillages fréquents du dispositif !
- Prévoir assez de place autour de la balance et au-dessus pour faciliter la pose et l’enlèvement du récipient.
- La stabilité est assurée par le poids de l’ensemble, et le maintien sur trois patins de feutre (et non pas 4 !).

Manipulation
Comme ci-dessus avec une « canne à pêche », mais la montée est beaucoup plus facile à contrôler.
 Remarques
- Les mesures sont très reproductibles, mais il n’est pas vraiment indispensable de s’assurer de l’horizontalité
(c’est une affaire de cos … un angle de 8° n’introduit que 1% d’erreur !).
- Bien sécher tout le dispositif après usage (le bois mouillé gonfle, la peinture craque et ne protège plus).
- Soigneusement régler la position du fil sur la demi-boucle de suspension de manière que la base de la plaque
de verre soit bien horizontale, afin d’avoir une traction également répartie sur toute la longueur.
- On peut, si l’on dispose d’une mini-perçeuse genre Dremel et de forets diamantés, percer deux trous
symétriques dans les lames porte-objets. Il faut pour cela les appuyer sur une plaque plane rigide (ex : plaque de
verre quelconque), et percer en mouillant (à travers une grosse goutte d’eau) en pressant modérément.
L’avantage est que les lames peuvent être beaucoup plus facilement nettoyées.
Pour les lames couvre-objets, beaucoup plus fragiles, il est pratiquement impossible d’en faire de même sans les
casser.
- Pour notre montage, nous avons utilisé des poulies « Meccano » (diamètre 7 cm).dont nous disposions.
On peut les remplacer par des couvercles de bocaux en tôle percés (foret de 4 mm). Marquer très
soigneusement le centre des couvercles (avec un clou) avant de percer (sinon le foret risque de glisser):
:
.
Matériels spécialisés suggérés
(voir aussi document « pourquoi et comment commander en Chine »
- Balance (500 g / 0,01g)
Deal Extreme ref 134719 10 € franco
- Poids de calibration 5 g
Deal Extreme ref 20010
2 € franco
100g
Deal Extreme ref 15761
3,80 € franco
- Pinces brucelles plastique
Deal Extreme ref 21949
1,4 € franco
- Compte-gouttes plastique (dropper bottle, pipette bottle)
pointe métal 10 ml Deal Extreme ref 317416 5,56 les 10 franco
pointe plastique 20 ml Deal extreme ref 341684 4,65 € les 10 franco
- Compte-gouttes verre : Voir Aliexpress 28€ (lot de 12), 30 € (lot de 24), 17 € (lot de 20) selon le fournisseur
- Lames porte-objets ou couvre objets : Voir labo de biologie local, consommable courant.
A défaut, voir Aliexpress (microscope slides, cover glass ou cover glass slips, parfois vendus ensemble).
ex : China HY porte-objets 25x76 mm 13 € lot de 100, couvre-objets 24x50 mm 6,40 € les 200 franco.