Sciences physiques

Le gravité

Question :

J’ai beaucoup lu sur le phénomène de la gravité, y compris la théorie d’Einstein sur la courbure de l’espace-temps et l’attraction des corps massifs. J’ai l’impression que les scientifiques n’en connaissent pas vraiment la cause. Est-ce que j’ai raison?

Réponse :

Oui, jusqu’à un certain point, vous avez raison, mais on peut en dire autant de toute explication scientifique. Si l’on continue de poser la question « quelle est la cause de ce phénomène? », on tombe éventuellement sur la réponse « parce que l’univers est ainsi fait ». Certaines personnes essaient de régler la question au moyen du principe anthropique : « si nous observons un univers, c’est que celui-ci doit avoir des caractéristiques lui permettant d’avoir des observateurs ». Tous ne sont pas convaincus de cette idée.

Comme je fais un travail d’astrophysicien, j’ai tendance à laisser de telles questions entre les mains de ceux qui étudient la philosophie des sciences. Je me contente d’accepter l’existence de la gravité, dont la meilleure description est en ce moment celle qui est proposée dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, et d’essayer de découvrir ses conséquences observables. Je ne veux pas dire ici que de telles questions fondamentales ne sont pas importantes. Je pense tout simplement que la formation d’un scientifique ordinaire ne le prépare pas à y répondre.

- Pauline Barmby

 


 

élever la températur

Question :

Le bécher A, qui contient 250 ml d’eau, et le bécher B, qui contient 250 ml d’huile végétale, sont à une température de 10 degrés Celsius et on veut élever cette température à 20 degrés Celsius. Auquel des deux béchers faudra-t-il fournir le plus de chaleur pour obtenir l’élévation de température désirée? Expliquez.

Réponse :

Bécher A :

250 ml H2O X 0,9997 g/mL (densité) X 4,184 J/goC (chaleur spécifique) x 10 oC (élévation de température) = c.a. 10,5 kJ

Bécher B :

250 ml d’huile végétale X 0,918 g/ml (densité) X 2,000 J/goC (chaleur spécifique) X 10 oC (élévation de température) = c.a. 4,59 kJ

Explication : Plus la chaleur spécifique est grande, plus il faut d’énergie pour élever la température de la substance d’un degré Celsius. Le facteur déterminant dans cette question est la chaleur spécifique et non la densité. D’après les calculs ci-dessus, il faut plus de chaleur pour faire passer la température de l’eau de 10 degrés Celsius à 20 degrés Celsius.

- Chadron Friesen

 


 

Le zéro absolu

Question :

Est ce qu’il peut faire plus froid que le zéro absolu ou est ce qu’il s’agit là de la température la plus basse possible?

Réponse :

Non, il ne peut pas faire plus froid que le zéro absolu. La température d’une substance correspond au degré d’agitation des particules qui la composent. La température la plus froide, 273 °C ou le zéro absolu, est définie comme étant la température où les particules n’ont plus aucun mouvement. Par ailleurs, les propriétés de la matière à ces basses températures peuvent être plutôt inhabituelles (ex. supraconductivité, condensats de Bose-Einstein) et font encore aujourd’hui l’objet d’études approfondies dans les laboratoires de physique de la matière condensée.

- Dr. James Di Francesco

 


 

Grand collisionneur de hadrons

Question :

Si des particules circulent dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en sens opposés à une vitesse avoisinant celle de lumière, est ce que leur vitesse relative sera près de deux fois celle de la lumière au moment de leur collision?

Réponse :

Il en serait ainsi selon les lois de la physique classique qui régissent notre expérience quotidienne. Toutefois, au cours du dernier siècle, nous avons appris que la nature se comporte d’une façon beaucoup plus bizarre lorsque les objets voyagent à une vitesse proche de celle de la lumière. Selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, l’espace et le temps se contractent et se dilatent de façon à ce qu’aucun objet ne semble se déplacer plus vite que la lumière. Ainsi, du point de vue de chacune des particules en question, l’autre particule semble en fait s’approcher à une vitesse très proche de celle de la lumière et non pas au double de celle ci (en fait, puisque les particules ont une masse finie, elles ne peuvent atteindre la vitesse, mais seulement s’en rapprocher).

Vous avez sans doute entendu la nouvelle récente des observations faites par l’Union européenne concernant des particules subatomiques dont la vitesse aurait excédé la vitesse de la lumière. Si elles sont avérées, ces observations pourraient sérieusement remettre en question les théories d’Einstein, qui, jusqu’à présent, ont été prouvées avec grande précision dans bon nombre d’expériences. Les scientifiques concernés ont examiné attentivement ces mesures récentes pour déterminer si elles comportaient des failles, mais en vain. Il est cependant possible qu’elles soient erronées en raison d’un hasard statistique inhabituel. De nouvelles expériences indépendantes sont prévues pour réexaminer ces résultats.

- Dr. James Di Francesco

 


 

Déchets nucléaires

Question :

Serait-il possible d’utiliser des contenants faits de cadmium pour stocker les déchets nucléaires et éliminer le risque de rayonnement nucléaire?

Réponse :

Les rayonnements problématiques sont ceux ayant une capacité de pénétration accrue. Si le rayonnement est constitué de rayons X ou de rayons gamma, les matériaux les plus appropriés sont les matériaux denses et ayant un numéro atomique élevé. Plus l’énergie du rayonnement est élevée, plus le matériau utilisé doit être épais pour arriver à bloquer le rayonnement. On peut obtenir les mêmes résultats avec de la roche, de la terre ou du béton, mais les quantités de matériaux nécessaires sont alors plus importantes. Je suppose qu’on pourrait utiliser du cadmium pour bloquer de tels rayonnements, mais les coûts financiers et les risques pour la santé qui y seraient associés surpasseraient probablement les avantages. Un rayonnement de neutrons nécessiterait l’utilisation de matériaux à base d’hydrogène pour être absorbé.

- Chadron Friesen

 


 

Faisceau laser

Question :

Qu’arrive-t-il à l’air quand un faisceau laser le traverse?

Réponse :

Tout dépend de la longueur d’onde du faisceau laser.

Comme on peut le voir sur l’image suivante : http://fuse.pha.jhu.edu/~wpb/spectroscopy/figures/trans.gif, il y a des fenêtres très étroites dans lesquelles la lumière laser peut passer (c’est-à-dire que l’atmosphère est transparente et n’a pas d’effet sur la lumière laser). Par contre, aux longueurs d’onde auxquelles l’atmosphère est « opaque », toute la lumière est absorbée par l’atmosphère.

Bien entendu, l’air est constitué de plusieurs gaz distincts, et chacun de ces gaz répond de façon différente aux différentes longueurs d’ondes de lumière laser. Par conséquent, le laser peut interagir ou non avec le gaz, selon la longueur d’onde. Ce phénomène est comparable à la manière dont un four à micro-ondes ordinaire chauffe la nourriture. Les micro-ondes émises dans un four à micro-ondes (longueur d’onde : 122 mm) interagissent avec les molécules d’eau et sont absorbées par celle-ci. Les molécules d’eau se mettent alors à vibrer plus vigoureusement, ce qui se traduit par un dégagement de chaleur. Les autres molécules de la nourriture, quant à elles, ne sont pas touchées par le passage des micro-ondes. De même, un faisceau laser ayant la bonne longueur d’onde peut interagir avec un des gaz de l’air, ce qui peut causer un réchauffement de l’air (absorption), une réfraction ou une réflexion de la lumière (un changement de la direction dans laquelle se propage la lumière), ou même un changement de la longueur d’onde de la lumière (un changement de la couleur du faisceau laser).

- Kevin Shortt

 


 

Poids à l’équateur

Question :

Quelle serait la différence entre mon poids (force) mesuré à l’équateur et à l’un des deux pôles? Je pense que mon poids serait moindre à l’équateur en raison de la force centrifuge. Disons que je pèse 80 kg.

Réponse :

À première vue, oui, vous pèseriez un tout petit peu moins à l’équateur, mais une seule journée passée à s’empiffrer dans l’avion en direction du pôle ou à s’entraîner de façon intensive suffirait à masquer la différence de poids prévue. Pour arriver à cette réponse, on prend en compte l’effet de la rotation à l’équateur, pour lequel on utilise des valeurs de paramètres approximatives, et l’on ne prend pas en considération le fait que la Terre n’est pas sphérique ainsi que d’autres facteurs. Par cette approche simple, on compare :

  • l’accélération (a) d’un corps à l’équateur (a = dv/dt = oméga ^ 2 * r) (ici, l’accent circonflexe signifie « exposant »; c’est donc   oméga au carré)
  • à l’accélération causée par la gravitation à l’équateur, g
  • v est la vitesse tangentielle du corps due à la rotation de la Terre;
  • oméga est la vitesse de rotation (degrés ou radians par seconde);
  • r est le rayon de la Terre à l’équateur.

3,30E-06    Différence de poids (proportion)

2,6E-04 - en kg (pour une personne de 80 kg)

0,26 - en grammes

D’après ces résultats, on voit qu’une seule journée passée à s’empiffrer dans l’avion en direction du pôle ou à s’entraîner de façon intensive suffirait à masquer la différence de poids prévue.

- Bill Howell

 


 

Le spectre électromagnétique

Question :

Tous les manuels et magazines scientifiques que j’ai consultés présentent toujours le même diagramme du spectre électromagnétique. Nous le connaissons tous : les ondes radioélectriques sont à gauche (basse fréquence) et les rayons gamma sont à droite (haute fréquence). J’aimerais connaître le nom de l’origine (0 cycle par seconde) de ce spectre. Est-ce que l’origine représente quelque chose comme le courant continu (ligne droite)? Aussi, quelle est la plus haute fréquence qui peut être produite? Est-ce que cette fréquence extrême aura également l’apparence d’une ligne droite?

Réponse :

Comme le stipule la question, la plupart des sources d’information présentent le même diagramme du spectre électromagnétique (http://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique). L’origine et les extrêmes de fréquence ne sont pas identifiés, et il en va de même pour les longueurs d’onde et les axes énergétiques correspondants.

Le courant continu peut générer un champ électromagnétique, mais pour produire une onde à l’état stable, une oscillation est nécessaire, ce qui n’est pas le cas du courant continu.

Il convient aussi de souligner que dans l’échelle énergétique d’une onde électromagnétique, l’énergie est proportionnelle à la fréquence, la limite inférieure correspond à la fréquence minimale (p. ex. à 3 Hz [12,4 feV]) et la limite supérieure correspond à la fréquence maximale (les rayons gamma à côté de l’antimatière) à environ 2,4×1023 Hz (1 GeV).

« J’aimerais connaître le nom de l’origine (0 cycle par seconde) de ce spectre. »

Je suggère d’associer les deux extrêmes de l’axe des fréquences au terme « statique » et à l’expression « limite de fréquence supérieure connue ». Le terme « statique » signifie qui n’oscille pas, tandis que l’expression « limite de fréquence supérieure connue » (2,4×1023 Hz) semble associée aux rayons gamma et à l’antimatière, selon les données les plus récentes du site Wikipédia.

« Est-ce que cette fréquence extrême aura également l’apparence d’une ligne droite? »

Toute onde est une oscillation, pas une ligne droite. Par conséquent, un extrême de fréquence ne devrait pas être une ligne droite. Les véritables limites inférieure et supérieure semblent exprimer le fait que quand la longueur d’onde approche de l’infini, l’énergie approche de zéro et quand la longueur d’onde approche de zéro, l’énergie approche de l’infini.

Sur un instrument de mesure, comme un oscilloscope, il est possible d’observer des signaux sinusoïdaux, notamment dans les gammes de fréquence radio et audio. Le courant continu pourrait être caractérisé par une ligne droite, mais si une ligne droite est observée à haute fréquence, c’est principalement parce que le signal haute fréquence est soit d’amplitude trop petite ou de fréquence trop élevée pour l’instrument de mesure utilisé (au‑delà de son échelle de mesure et de sa fréquence opérationnelle maximale). C’est le cas pour la limite supérieure du spectre électromagnétique, qui est difficile à observer de cette façon.

- Paul Labbé

 


 

Lumière

Question :

Si une lumière présentant un large spectre frappe un miroir, est-ce que la lumière réfléchie présentera le même large spectre?

Réponse :

Reprenons la question dans un langage plus courant : les couleurs de la lumière réfléchie par un miroir sont-elles les mêmes que celle de la lumière qui frappe le miroir?

La réponse la plus simple est « oui », les miroirs courants étant faits de manière à réfléchir la plus grande portion possible de chacune des couleurs visibles; ils sont faits pour réfléchir le même spectre que celui de la lumière qui les frappe. Les couleurs de l’arc-en-ciel, du rouge au violet, forment une bande continue de couleurs qui constituent le « spectre visible ». Lorsque nous regardons une chose dans un miroir, nous voulons que l’image ressemble à l’objet à tous points de vue, y compris pour ce qui est de sa couleur. Pour ce faire, le miroir dont être fait d’un matériau présentant le spectre de réflexion approprié. Lorsque la lumière frappe un matériau, elle peut être réfléchie, transmise ou absorbée. Habituellement, les trois phénomènes se produisent, dans différentes proportions, selon le matériau en question. Les métaux réfléchissent très bien la lumière, mais tous ne réfléchissent pas toutes les couleurs également : l’argent et l’aluminium sont les plus souvent utilisés pour la fabrication des miroirs, car ils réfléchissent la plus grande partie de la lumière qui les frappe et parce qu’ils réfléchissent toutes les couleurs (presque) également. D’un autre côté, l’or et le cuivre, par exemple, réfléchissent très bien le rouge et le jaune, mais pas aussi bien le bleu et le violet. C’est pourquoi ces métaux apparaissent orange-rouge ou jaunâtres. C’est également pour cette raison qu’on ne fait pas de miroirs en or ou en cuivre. En raison du prix élevé de l’argent et de l’aluminium, on fabrique les miroirs depuis quelques centaines d’années en appliquant une mince couche de ces métaux évaporés au dos d’une plaque de verre poli.

- Aaron Slepkov

 


 

Les électrons

Question :

Dans un élément, comment les électrons remplissent-ils une enveloppe? Est-ce qu’une certaine force d’attraction entre en jeu?

Réponse :

Un électron comporte quatre nombres quantiques lorsqu’il cherche sa place, pour ainsi dire, dans l’élément. « Deux électrons dans un atome ne peuvent pas avoir exactement le même ensemble de quatre nombres quantiques », c’est ce qu’on appelle le principe d’exclusion de Pauli. Le premier nombre quantique est le nombre quantique principal qui indique la distance de l’électron par rapport au noyau de l’atome. Plus le nombre est élevé, plus l’électron est loin du noyau. Le nombre quantique secondaire est appelé nombre quantique de moment angulaire. Il indique essentiellement la forme de l’orbitale. Cela s’apparente au trajet que parcourt une personne dans une journée : si elle se déplace uniquement entre le travail et la maison, la forme de l’orbitale serait une ligne droite. Par contre, si elle se déplace de la maison à l’école, puis au travail pour revenir finalement à la maison, son parcours peut ressembler à un cercle, un triangle, etc. Le nombre quantique de moment angulaire correspond à un sous-niveau. Chaque sous-niveau présente davantage de formes possibles lorsque le nombre quantique principal augmente. Le troisième nombre quantique est appelé nombre quantique magnétique ou nombre quantique de l’orientation orbitale. Il indique de quelle façon le nombre quantique de moment angulaire est orienté dans un espace tridimensionnel. Cela correspond à déterminer l’orientation suivant un axe x-y ou x-z, etc. Le dernier nombre quantique est le nombre quantique de spin; ce nombre indique la direction de spin.

En résumé, lorsque l’électron trouve sa place, il est généralement équilibré par deux forces a) l’attraction vers la charge du noyau et b) la répulsion par les autres électrons.

- Chadron Friesen

 


 

Est-ce que le temps fait partie de l'univers?

Question :

Est-ce que le temps fait partie de l'univers ou l'univers existe dans le temps. Lequel englobe l'autre? Quel est la position des scientifiques à ce sujet?

Réponse :

Jusqu’au début du 20e siècle, les scientifiques considéraient le temps comme une entité distincte du mouvement dans l’univers, pensant qu’il progressait à la même vitesse, quel que soit le cadre de référence. De cette façon, c’était l’univers qui existait dans le temps, le temps étant une quantité indépendante. Cependant, depuis qu’Einstein a proposé sa théorie de la relativité, on estime que le temps et l’espace sont imbriqués en une quantité que l’on appelle l’espace-temps.

Einstein avait prédit que le passage du temps semblerait changer en fonction du cadre de référence, c’est-à-dire qu’il ne s’agissait pas d’une quantité absolue. Par exemple, le temps passerait plus lentement pour une personne qui voyage à grande vitesse que pour une personne qui reste en place. De la même façon, un fort champ gravitationnel ferait ralentir le temps pour quelqu’un qui se trouve à proximité. C’est cet aspect qui permet au GPS de fonctionner, étant donné que le temps passe plus rapidement pour des satellites en orbite autour de la Terre que pour ceux d’entre nous qui se trouvent au sol, et c’est cette différence de temps qui doit être prise en compte pour localiser avec précision des endroits à la surface de la Terre.

Bref, le temps et l’espace ne sont pas des entités distinctes, mais sont plutôt les deux côtés d’une médaille. Le temps et l’espace font tous deux partie de l’univers.

- Ilana MacDonald

 


 

Un trou d’un côté à l’autre de la Terre

Question :

Qu’arriverait-il si je creusais un trou d’un côté à l’autre de la Terre et que j’y sautais? (Il va de soi que les bords du trou sont scellés afin que la pression et la température ne vous posent pas problème. C’est la gravité qui nous intéresse.)

Réponse :

Tout comme cela est le cas au-dessus de la surface de la Terre, la force gravitationnelle de la Terre vous fera accélérer vers le centre de la planète. Parce que la gravité est une force conservative, si vous vous tenez d’un côté de la Terre et que vous entrez dans le trou depuis une position de repos, vous allez accélérer vers le centre de la Terre, où vous allez atteindre votre vitesse maximale. Vous allez ensuite continuer à vous enfoncer dans le trou en ralentissant jusqu’à ce que vous atteigniez exactement le même rayon où vous êtes entré dans le trou. Si vous ne vous agrippez pas rapidement aux parois, vous allez accélérer à nouveau vers le centre de la Terre et revenir à votre point de départ. Comme ce mouvement de va-et-vient pourrait durer éternellement (tant que nous supposons qu’il n’y a pas de frottement), vous allez osciller dans les deux sens dans le trou. (Petite mise en garde : J’ai supposé que la Terre était une sphère parfaite afin que la force gravitationnelle ne dépende que de votre distance du centre.)

En outre, la grandeur de l’accélération due à la force gravitationnelle, qui s’élève à environ g = 9,8 m/s2 à la surface de la Terre, change à mesure que vous vous enfoncez dans le trou. Il s’avère que g = GM/r2, où G représente la constante de gravitation et M, la masse comprise dans la sphère se trouvant SOUS vous. Donc, toute la masse comprise dans l’enveloppe sphérique se trouvant au-dessus de vous n’aura aucun effet sur votre accélération due à la gravité. Bien que la masse circonscrite diminue à mesure que vous descendrez vers le centre de la Terre, votre r diminuera aussi, de sorte que dans le manteau (la couche rocheuse extérieure qui s’étend de la surface jusqu’à une profondeur de 2 800 km environ), g demeurera presque constante à environ 10 m/s2. Il est donc assez simple de calculer votre vitesse lorsque vous atteindrez le bas du manteau (qui recouvre le noyau de fer) en utilisant la formule v = 2 gy, où y est la distance que vous aurez parcourue, ce qui donne 7,5 km/s environ (une vitesse plutôt élevée)! Dans le noyau de la Terre, la force de gravité diminue quasi linéairement, de sorte que vous prendrez encore de la vitesse à mesure que vous traverserez le noyau, mais le taux d’accélération ne sera pas aussi élevé que dans le manteau. Vous atteindrez votre vitesse maximale au cœur de la Terre.

- Sabine Stanley

 


 

La théorie de l’intrication quantique

Question :

J’aimerais savoir comment la théorie de l’intrication quantique a été prouvée. J’ai lu des documents sur les expériences de Bell, mais cette théorie semble valide parce qu’il est impossible de prouver le contraire. Rien ne semble aller à l’encontre de l’idée d’Einstein selon laquelle les états des particules ont été déterminés avant qu’elles soient séparées. Comme il est impossible de connaître les caractéristiques d’une particule avant de les avoir examinées, comment peut-on être certain que c’est votre action qui a défini la particule et sa partenaire d’intrication?  

Réponse :

Votre question semble surtout porter sur la validité de l’intrication. À vrai dire, il n’existe aucune « théorie de l’intrication quantique », mais plutôt seulement une « théorie quantique ». De plus, les théories scientifiques ne sont pas prouvées, elles sont plutôt réfutées ou appuyées. Les tests visant à vérifier la notion d’Einstein-Podolsky-Rosen que vous avez décrits sont habituellement appelés le « réalisme physique », qui est testé en prenant les mesures appropriées et en vérifiant si les données violent une forme d’inégalité de Bell. À ce jour, de nombreuses expériences violent une forme d’inégalité de Bell appelée l’inégalité de Clauser-Horne-Shimony-Holt; ces expériences permettent d’émettre des hypothèses raisonnables, mais inconfortables sur l’échantillonnage aléatoire afin de tenir compte de l’inefficacité du détecteur. Nous espérons que dans un proche avenir une forme d’inégalité plus restreinte connue sous le nom d’inégalité de Clauser-Horne, qui ne repose pas sur cette hypothèse inconfortable (on utilise ici le terme inconfortable, car un univers physique réaliste malveillant pourrait avoir une caractéristique d’échantillonnage dépendante au détecteur), pourra être testée. L’obstacle est d’atteindre un seuil de détection minimum, mais nous sommes maintenant rendus à ce point, alors restez à l’affût. Nous sommes près de réfuter ou de valider la théorie sur le réalisme physique d’Einstein.

- Barry Sanders

 


 

Le mouvement dans le vide

Question :

Dans le vide, si la force appliquée et la force de frottement sur un objet sont égales, est-ce que l'objet continuera éternellement d’avancer?

Réponse :

C'est une question importante, dont la réponse est un principe clé qui distingue la façon dont les Grecs considéraient le mouvement et la manière dont nous l’envisageons maintenant! En bref, la réponse est oui. « Un objet en mouvement restera en mouvement aussi longtemps que toutes les forces qui agissent sur lui sont équilibrées ». Cette déclaration est connue comme la première loi du mouvement de Newton. Comme le dit la question, la « force de frottement » et la « force appliquée » sont les mêmes. On suppose qu'elles agissent dans des directions opposées et qu’elles sont donc équilibrées. Si l'objet est au repos, il restera au repos jusqu'à ce que l'une de ces deux forces (probablement la force appliquée) change. Si l'objet est déjà en mouvement, il continuera à se déplacer exactement à la même vitesse et dans la même direction, jusqu'à ce que, encore une fois, l'une des deux forces change. Il est à noter que la première loi du mouvement de Newton ne nécessite pas que l'objet soit dans le vide. En effet, la condition « dans le vide » de la question n'est pas nécessaire pour ce principe, mais il est assez important d'expliquer pourquoi cette loi du mouvement semble tellement intuitive pour nous. Par exemple, lorsqu’un lanceur de baseball relâche une balle rapide à 160 km/h, il n'y a plus de « force (horizontale) appliquée » agissant sur la balle, mais nous savons qu'elle ralentit. Cela est dû à la résistance de l'air. C’est pourquoi nous sommes tellement habitués à voir des objets ralentir sans raison apparente (ce qui est contraire à « l'objet continuera éternellement d’avancer ») Si la partie devait être jouée sur la Lune (c'est-à-dire presque dans le vide), la vitesse horizontale de la balle demeurerait à 160 km/h au moment de traverser le rectangle du frappeur. Cependant, la plupart des forces de frottement que nous éprouvons tous les jours sont des forces de contact entre des objets et des surfaces et elles ne diminueraient donc pas dans le vide. Par exemple, une rondelle de hockey glissant sur la glace ralentit parce qu’elle subit de petites quantités de friction avec la glace. Le même ralentissement se produirait sur la Lune.

En conclusion, la réponse est oui : si la force appliquée et la force de frottement sur un objet en mouvement sont de grandeur égale et agissent dans des directions opposées, le mouvement de l'objet demeurera le même à jamais. Le corollaire est également vrai : si le mouvement d'un objet change, il doit y avoir un certain déséquilibre entre les forces qui agissent sur lui. Souvent, comme dans le cas de forces de frottement, l’identité de cette force peut ne pas être immédiatement apparente.

- Aaron Slepkov


Évaporation de l'eau

Question :

Lorsqu'une goutte d'eau est déposée sur une plaque de fer chaud, pourquoi prend-elle une forme sphérique avant qu'elle ne s'évapore?

Réponse :

La forme en gouttelettes n'est pas vraiment liée à la température de la plaque, mais plutôt à quel type de surface reçoit la gouttelette. La question devient : si la «plaque de fer» « aime » l'eau ou pas. Dans une application de cuisine normale, une plaque de fer aurait une bonne quantité de graisse même si elle semble être propre. Donc, pour être plus précis, nous avons une «plaque de fer grasse». La graisse et l'eau ne se ressemblent pas, de sorte que l'eau tente de minimiser le contact avec la «plaque de fer grasse» en formant de gouttelettes.

-Juan Beltran

Liquide sous-refroidi

Question :

J’ai laissé deux bouteilles d’eau de 500 ml pleines dans ma camionnette pendant la nuit. La température a atteint -21°C. Le lendemain, le contenu de l’une des deux bouteilles était entièrement gelé, tandis que le contenu de l’autre semblait encore liquide. J’ai tenu la bouteille d’eau non gelée dans ma main, et j’ai remarqué que l’eau a gelé rapidement, comme une cascade de glace se formant du haut au bas de la bouteille. Comment expliquer cette réaction? Pourquoi l’eau n’a-t-elle pas gelé pendant la nuit comme dans l’autre bouteille?

Réponse :

Je pourrais en dire long à ce sujet, mais on trouve presque assurément l’explication de ce phénomène intéressant dans le rôle essentiel que les sites de nucléation jouent dans le changement de phase de l’eau. On a tendance à croire que le point d’ébullition et le point de congélation sont fixes, mais la transition entre phases n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Dans le cas d’un fluide, il faut déterminer où le processus commence, c’est-à-dire les endroits où le processus peut s’amorcer. On les appelle les sites de nucléation. Ils jouent un rôle clé dans la formation des nuages et la condensation de la vapeur, mais ils jouent également un rôle fondamental (quoique méconnu) dans le processus de congélation. On compte habituellement de nombreux sites de nucléation (particules, bulles, et ainsi de suite) dans le fluide, ce qui permet à la transition entre phases de se faire comme prévu. C’est ce que vous avez remarqué dans la bouteille qui était gelée. Plus rarement, l’eau et son contenant ont des caractéristiques particulièrement pures. Dans un tel cas, le liquide atteint un stade de sous-refroidissement, c’est-à-dire qu’il demeure liquide même si sa température est inférieure à celle du point de congélation habituel. Lorsque le liquide est perturbé ou que l’on saisit le contenant, une irrégularité peut se produire, comme une petite bulle à la surface. C’est ce qui fait geler le liquide rapidement, et donne parfois lieu à une démonstration impressionnante comme celle que vous avez vue.

- Bryan W. Karney

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