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En vidéo : les liquides magiques de l'ISS

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Par Laurent Sacco, Futura

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En gravité zéro, les liquides adoptent des comportements parfois surprenants. Physiciens et chimistes s'y intéressent pour chercher de nouveaux alliages ou pour produire de nouvelles substances. Ces phénomènes sont aussi d'excellents exemples de physique amusante et peuvent même illustrer comment se forment les planètes.

Photo prise par Donald R. Pettit à bord de l'ISS. A cause de sa tension superficielle, l'eau peut prendre des formes étonnantes en apesanteur comme ici un film lié à un anneau métallique. Crédit : Nasa

Depuis longtemps, on sait que des liquides en apesanteur doivent prendre la forme d'une bulle en raison de leur tension superficielle. Dans la célèbre BD d'Hergé, On a marché sur la Lune, publiée en 1954, le whisky du capitaine Haddock se met en boule quand, Dupont ayant malencontreusement coupé le réacteur, l'accélération cesse, mettant l'engin, son équipage et le whisky en situation de vol balistique, donc d'apesanteur.

Le fait qu'un corps céleste dans l'espace adopte spontanément une forme sphérique est cependant moins trivial qu'il n'y paraît, il est même très profond. En effet, de petits corps comme des astéroïdes ne sont en général pas sphériques et il semble exister une taille maximale pour qu'un corps le devienne inévitablement. Pendant longtemps, les physiciens ont pensé que le fait que les planètes rocheuses soient rondes provenait du fait qu'elles s'étaient formées initialement à partir d'un fluide chaud, gazeux ou liquide. Les premiers travaux sérieux sur le forme de la Terre reprenaient cette hypothèse.

Des mathématiciens comme Maclaurin, Riemann, Dedekind et surtout Poincaré ont ainsi étudié les figures d'équilibres de sphéroïdes autogravitants, parfois en rotation. Une richesse de formes insoupçonnées a été découverte. Certaines instabilités pouvaient faire penser que si de telles formes tournaient suffisamment vite sur elles-mêmes une excroissance, elle aussi de forme sphérique, se produisait. Le phénomène pouvait devenir un début de scénario pour la formation de la Lune à partir de la Terre ou des planètes à partir du Soleil.

On sait maintenant que l'explication de la forme de la Terre repose en fait sur la mécanique quantique, aussi incroyable que cela puisse être. En effet, il existe une masse limite au-delà de laquelle les forces d'autogravitation d'un solide prennent le dessus sur les forces des liaisons quantiques entre les atomes et imposent la forme sphérique à un objet. C'est pourquoi Mars est ronde alors que Phobos et Deimos, ses satellites, ne le sont pas.

Dans le cas de bulles d'eau, la force de gravité est trop faible pour provoquer une forme sphérique mais dans un environnement en gravité zéro, comme c'est le cas à bord de l'ISS, la station spatiale internationale, c'est la tension superficielle du liquide qui domine.

Là aussi, la physique peut donner lieu à une grande richesse de phénomènes et c'est pourquoi alors qu'il participait à la sixième mission à bord de l'ISS, l'astronaute Donald Pettit s'est livré à quelques expériences de physique amusante dont voici deux vidéos.


L'astronaute Donald R. Pettit à bord de l'ISS a réalisé cette vidéo sur la physique des bulles d'eau en apesanteur. Voir le texte pour les commentaires. Crédit : Nasa

On voit au début une bulle d'eau sur laquelle un jet d'air est envoyé. Cela provoque une série d'ondes, superficielles et internes, qui excitent des modes d'oscillations de la bulle. La Terre elle-même possède des modes d'oscillations similaires qui la font vibrer à l'occasion d'un très gros séisme ou suite à l'impact d'une grosse météorite. On peut modéliser un noyau lourd avec un modèle de fluide visqueux chargé et tout comme dans cette vidéo, il possède des modes d'oscillations et de déformation. Le modèle de la goutte liquide en physique nucléaire est d'ailleurs un bon moyen de comprendre la fission nucléaire comme Niels Bohr et John Wheeler l'avaient bien compris.

La séquence suivante montre une bulle de 5 cm de diamètre dans laquelle on souffle d'abord de l'air. On injecte ensuite dans la bulle formée des gouttes d'eau et on peut voir l'intéressante dynamique d'interaction de ces bulles à l'intérieur de la bulle d'air.

Pour finir, un comprimé effervescent est injecté et l'on observe là aussi une série de phénomènes complexes avec coalescence de bulles. On pense qu'un phénomène similaire s'est peut-être produit dans une phase très primordiale de l'Univers avec la formation de bulle de faux vide dans le cadre des théories inflationnaire avec des GUT.


Donald Pettit s'intéresse maintenant à la physique du café. Voir les commentaires dans le texte. Crédit : Nasa

Un autre vidéo montre le comportement spécifique du café dans un sachet dont la forme rappelle celle des ailes d'avion.

Le café semble coller aux parois, surtout à l'endroit où elles forment un angle aigu. Il n'est pas difficile de le boire, alors que de l'eau tendrait, elle, à s'échapper.

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