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Physique : le mystère de la flaque d'eau enfin résolu

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L'eau qui s'écoule d'un verre renversé n'envahit pas la pièce. Trivial ? Non, car les lois de la physique telles qu'elles ont été établies par les scientifiques commandent le contraire. Des chercheurs du MIT proposent une explication pour résoudre cette énigme. Ils ont en effet découvert que les interactions intermoléculaires liquide-solide jouaient un rôle important.

Les chercheurs du MIT se sont penchés sur un sujet d’apparence simple : l’écoulement d'une flaque d'eau. Ils ont abouti à une découverte fondamentale concernant les forces intermoléculaires en jeu. © Amir Pahlavan

Lorsqu'une personne renverse un verre d'eau sur une table, le liquide se répand sur la nappe et forme alors une flaque. Parfois, l'eau s'écoule jusqu'à atteindre le sol. Mais, quoi qu'il en soit, l'écoulement finit toujours par s'arrêter. C'est une évidence. Cette expérience banale fait partie de notre quotidien. L'ennui, c'est que les lois de la physique telles que nous les connaissons voudraient que l'eau continue à s'écouler indéfiniment. Alors, pourquoi n'est-ce pas le cas ? La réponse pourrait venir des études menées par des chercheurs américains du Massachusetts Institute of Technology(MIT).

Rappelons qu'à l'échelle macroscopique, un liquide a tendance à se répandre sur une surface solide de manière à minimiser l'énergie du système. Selon le modèle d'écoulement de fluides en couches minces, rien n'empêcherait la flaque d'eau de couler à l'infini. Car ce modèle ne tient compte que de la gravité, de la capillarité et de la viscosité.

L'idée développée par les chercheurs du MIT, c'est que les interactions intermoléculaires liquide-solide jouent également un rôle dans le phénomène. Celles-ci ne sont pourtant significatives qu'à très courte distance, à l'interface. Mais leurs effets se font ressentir à l'échelle macroscopique. L'expression de l'énergie libre du système à l'équilibre fait en effet apparaître une tension d'interface dépendante de la hauteur de liquide. De quoi expliquer que l'écoulement prenne fin à un moment donné.

Le modèle de l’écoulement de fluides en couches minces ne suffit pas à expliquer l’écoulement des flaques d’eau. Les interactions intermoléculaires qui agissent au niveau nanoscopique à l’interface liquide-solide doivent être prises en compte. © Jose-Luis Olivares/MIT and Amir Pahlavan

Comprendre l'écoulement des fluides en couches minces

Une découverte intéressante sur le plan fondamental mais qui peut sembler bien futile dans la pratique. En effet, quel est l'intérêt de savoir jusqu'où le lait, renversé sur la table ce matin par le petit dernier, va continuer à couler ? En réalité, les implications pratiques des résultats livrés par l'équipe du MIT dépassent les simples considérations ménagères. Mieux comprendre l'écoulement des fluides en couches minces pourrait par exemple permettre d'améliorer les processus de lubrification dans le secteur de l'industrie.

Le domaine de la séquestration de CO2 pourrait aussi profiter de la découverte. L'idée : injecter du CO2 provenant des émissions de combustibles fossiles dans des roches poreuses en sous-sol. Comprendre comment le fluide injecté se propage dans la roche à travers ses pores et peut même déplacer l'eau qui y est naturellement présente est essentiel pour prédire la stabilité de ces injections.

Cependant, ces travaux ne portent que sur des surfaces parfaitement lisses. La prochaine étape sera donc d'étendre l'étude à des flux de fluides sur des surfaces rugueuses qui se rapprochent davantage des conditions réelles rencontrées dans le cas de formations poreuses souterraines.

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