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Introduction

La tension superficielle permet à un pengő hongrois en aluminium de ne pas couler au fond du verre d'eau (bien que l'aluminium soit plus dense que l'eau)…
…et aux Gerris (Les Gerris sont des insectes hémiptères (même ordre que les punaises) qui ont la...) de se déplacer à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'une mare.

À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre deux milieux denses, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) n'est pas, localement, rigoureusement dans le même état. Ce nouvel état local est à une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) légèrement supérieure. À la surface ou interface est donc associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètres carrés — J/m2). Une autre façon d'exprimer la même chose consiste à dire qu'il existe, au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de la surface ou interface, une certaine contrainte en tension (La tension est une force d'extension.) dans le milieu ; c'est une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) par unité de longueur (Il existe de nombreuses unités de longueur ne faisant pas partie du système international....), exprimée en N/m. On parle donc indifférement d'énergie ou de tension.

On a l'habitude, pour l'interface entre deux milieux denses, de parler de tension interfaciale, d'énergie interfaciale ou d'énergie d'interface. Entre un milieu dense et un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), on parle souvent plutôt de tension superficielle, de tension de surface ou d'énergie de surface.

Cet effet permet par exemple aux insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large...) de marcher sur l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), à un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) léger de se maintenir à la surface d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) (illustration ci-contre), à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et...). La tension superficielle explique aussi la formation des bulles de savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées...) et la coalescence des gouttes ou des bulles.

Exemples simples et expériences

Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'expériences simples permettent de mettre en évidence la tension superficielle.

Forme d'une goutte

Dans le cas d'une goutte d'un liquide A au sein d'un liquide B, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or, la forme correspondant à la plus petite surface possible est une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...). C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme sphérique. En réalité, la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) également pour déterminer la forme de la goutte. Voir l'article sur les gouttes.

Coalescence de deux gouttes

Coalescence de deux gouttes
Coalescence de deux gouttes : la surface totale diminue lorsque les deux gouttes fusionnent.

Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser l'énergie totale, produit de la tension superficielle par la surface totale. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie.

Exemple de calcul pour deux gouttes de même rayon R.

Leur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) est proportionnel au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées....) R3 de leur rayon. Le volume de la goutte résultante est donc proportionnel à 2\,R^3 et a donc un rayon égal à 2^{1/3}\,R.

Leur surface est égale à 4\pi\,R^2 chacune, soit 8\pi\,R^2 au total. La goutte résultante, quant à elle, a une surface 4\pi\,\left(2^{1/3}\,R\right)^2\simeq 6,3\pi\,R^2.

Ainsi, la goutte résultante a une surface moindre que les deux gouttes initiales.

Ménisque de l'eau dans un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...)

Lorsque l'on met de l'eau dans un verre, elle remonte d'environ un millimètre le long de la paroi ; ceci est particulièrement visible dans le cas d'un tube à essai (environ 1 cm de diamètre). C'est ce que l'on appelle un ménisque. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), il est possible de faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci.

Goutte qui pend sans tomber

C'est la tension superficielle qui retient la goutte au support ; la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de la goutte qui tombe d'un compte-goutte est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par la loi de Tate (La loi de Tate est la loi permettant de calculer la masse d'une goutte sortant d'un compte-goutte.)

Action de la tension superficielle sur un fil souple

Crack of a bubble
  • Couper une bouteille en plastique,
  • Poncer son bord de manière à faire disparaître les imperfections de la découpe,
  • Percer deux trous diamétralement opposés à 5 mm du bord,
  • Placer un fil légèrement détendu en travers de l'ouverture,
  • Poser l'ouverture dans un récipient contenant de l'eau dans laquelle on a dilué un peu de liquide vaisselle (Les produits servant au lavage de la vaisselle sont des détergents dotés de...), afin de créer une bulle,
  • Rompre la partie inférieure de la bulle pour montrer que la force de tension superficielle qui minimise la partie supérieure est assez grande pour soulever le fil.

Propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) à l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à...) ou au savon

Bateau à réaction
  • Découper une pièce de plastique d'environ 3 cm (la colorer la rend plus facilement visible).
  • Y découper une fente d'un millimètre de large.
  • La poser sur l'eau d'un récipient.
  • Déposer une goutte d'huile ou de savon liquide dans la fente. La pièce est propulsée par la force de tension superficielle.

On ne peut rééditer l'expérience sans changer l'eau contenue dans le récipient, car une seule goutte de liquide vaisselle abaisse tellement sa tension superficielle qu'une deuxième goutte ne peut à nouveau la diminuer suffisamment.

Fontaine de soda

Dans un soda, les molécules du gaz carbonique dissout sont solvatées, les molécules d'eau forment un bouclier autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du CO2 ; si l'on secoue la bouteille, on vainc la tension superficielle du bouclier et les molécules de CO2 se regroupent pour former des bulles ; ou bien en utilisant une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...), les petits grains abaissent la tension superficielle, on peut par exemple mettre des chewing-gums (on obtient ainsi l'Effet geyser (Un geyser est un type particulier de source d'eau chaude qui jaillit par intermittence en projetant...) du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) Mentos-boisson gazeuse).

Autres phénomènes

  • Un liquide peut monter dans un tube fin : loi de Jurin (La loi de Jurin donne la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire.)
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