Bulle (physique)

Une bulle est une petite sphère d'une substance dans une autre, généralement d'un gaz dans un liquide.

Bulles d'air d'un nageur.

Bulles de gaz dans un soda.

Bulle de gaz dans une mare de boue dans le parc du Yellowstone.

Exemples

Les bulles font partie de la vie courante, on peut citer :

La nucléation du dioxyde de carbone sursaturé dans les boissons gazeuses (eau pétillante, soda, bière, etc.).
La vapeur d'eau lors de l'ébullition de l'eau.
L'air mélangé à l'eau par agitation dans une cascade.
Les réactions chimiques, par exemple du vinaigre sur de la craie.
Les bulles d'air piégée dans un verre lors de sa trempe.

Propriétés

Les bulles se forment et coalescent sous une forme sphérique car cette forme minimise l'énergie de tension de surface pour un volume donnée (problème de Plateau). Pour une analyse plus détaillée de cette formation, voir nucléation.

L'effet Marangoni permet à des bulles de demeurer intactes lorsqu'elles atteignent la surface de la substance dans laquelle elles sont immergées.

Apparence

Les bulles peuvent être discernées à l'œil en raison de leur indice de réfraction différend de celui de la substance. Par exemple, l'indice de l'air est approximativement 1,0003 tandis que celui de l'eau est d'environ 1,33. Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement d'une onde électromagnétique à l'interface entre deux milieux d'indices différents. Les bulles peuvent ainsi être identifiées par leur réfraction et réflexion bien qu'elles-mêmes et leur milieu soient transparents.

Pulsation

Quand des bulles sont excitées, elles oscillent en volume à leur fréquence propre.

Les bulles de grandes tailles (tension de surface et conductivité thermique négligeables) effectuent des pulsations adiabatiques, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'échange de chaleur entre le gaz et le liquide. La fréquence propre de telles bulles est alors données par l'équation[1]^,[2] :

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {3\gamma p_{0} \over \rho }}

avec:

$\gamma$ la capacité thermique du gaz
$R_{0}$ est le rayon à l'équilibre
$p_{0}$ est la pression d'équilibre
$\rho$ la masse volumique du liquide immergeant

Des bulles plus petites effectuent des pulsations isothermes. L'équation correspondante pour de petites bulles de tension de surface σ (et une viscosité du liquide négligeable) est[2]:

f_{0}={1 \over 2\pi R_{0}}{\sqrt {{3p_{0} \over \rho }+{4\sigma  \over \rho R_{0}}}}

Les bulles excitées piégées sous l'eau sont la principale source des sons liquides tels que ceux produit lors de l'impact d'une gouttelette de pluie sur une surface d'eau[3]^,[4].

Utilisations

La nucléation peut être provoquée par exemple pour graver des motifs en 3D dans un bloc de verre.

En imagerie médicale, l'échocardiographie de contraste permet d'améliorer le contraste d'une échocardiographie classique en injectant des petites bulles d'air encapsulées.

Dans une imprimante à jet d'encre, et parfois dans des applications de microfluidique, des bulles de vapeur sont utilisées comme déclencheurs[5].

L'effondrement rapide de bulles (cavitation) près d'une surface solide et le jet de contact qui en résulte sont utilisés dans un bain à ultrasons pour nettoyer des pièces aux formes complexes. Le même effet, à plus grande échelle, est utilisée pour concentrer l'énergie de certaines armes tels les torpilles ou les bazookas. On peut aussi l'utiliser pour détruire des calculs sanguins. Les mammifères marins tels les dauphins et les baleines utilise les bulles pour jouer ou comme moyen de chasse.

Dans le génie chimique et la métallurgie, les ingénieurs utilisent des bulles pour des opérations telles que la distillation, l'absorption, la flottation et l'atomisation. Les processus complexes impliqués requièrent souvent des modèles de mécanique des fluides faisant intervenir des masses et des transferts de chaleur[6].

La taupe à nez étoilé et de nombreuses musaraignes peuvent sentir sous l'eau en respirant rapidement par le museau pour créer des bulles[7].

Pour lutter contre la pollution des cours d'eau par les déchets ainsi que pour limiter les nuisances sonores à l'égard des espèces marines lors de travaux (forage par exemple), des prototypes de rideaux de bulles sont en cours de développement depuis les années 2010[8]^,[9]. Le concept de rideau de bulles remonte au moins à une publication scientifique datant de 1910 par un certain Mallock[8].

Physiologie

L'accident de décompression, bien connu en plongée sous marine, est le résultat de blessures dues à la formation et la croissance de bulles dans les tissus à la suite de la décompression du gaz (souvent de l'air) sursaturé présent dans le sang. Ces dommages peuvent être dus à la déformation mécanique des tissus lors de la croissance où à l'obstruction de vaisseaux sanguins où se sont logées des bulles, on parle alors d'embolie gazeuse. Ce phénomène peut aussi apparaître à la suite d'une perfusion intraveineuse ou lors d'une opération chirurgicale.

Voir aussi

Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « liquid_bubble » (voir la liste des auteurs).

Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil. Mag. 16, 235-248 (1933).
Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).
Andrea Prosperetti et Oguz, Hasan N., « The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain », Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 25,‎ 1993, p. 577–602 (DOI 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045, Bibcode 1993AnRFM..25..577P, lire en ligne [PDF], consulté le 9 décembre 2006)
Ryan C. Rankin, « Bubble Resonance », The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That, juin 2005 (consulté le 9 décembre 2006)
R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech. Microeng. 16 1653 (2006)
Weber et al., Bubbles, Drops and Particles, New York, Dover Publications, 1978 (ISBN 0-486-44580-1)
Roxanne Khamsi, « Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal ».
« Des rideaux de bulles pour atténuer les bruits sous-marins », sur ensta-bretagne.fr (consulté le 30 janvier 2020).
« VIDEO. Pour lutter contre la pollution et contre le bruit, des scientifiques développent des "rideaux de bulles" sous l'eau », sur francetvinfo.fr, 12 février 2018 (consulté le 30 janvier 2020).

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[1] Minnaert, Marcel, On musical air-bubbles and the sounds of running water, Phil. Mag. 16, 235-248 (1933).

[Leighton-2] Leighton, Timothy G., The Acoustic Bubble (Academic, London, 1994).

[3] Andrea Prosperetti et Oguz, Hasan N., « The impact of drops on liquid surfaces and the underwater noise of rain », Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 25,‎ 1993, p. 577–602 (DOI 10.1146/annurev.fl.25.010193.003045, Bibcode 1993AnRFM..25..577P, lire en ligne [PDF], consulté le 9 décembre 2006)

[4] Ryan C. Rankin, « Bubble Resonance », The Physics of Bubbles, Antibubbles, and all That, juin 2005 (consulté le 9 décembre 2006)

[5] R. J. Dijkink, J. P. van der Dennen, C. D. Ohl, A. Prosperetti,The ‘acoustic scallop’: a bubble-powered actuator, J. Micromech. Microeng. 16 1653 (2006)

[6] Weber et al., Bubbles, Drops and Particles, New York, Dover Publications, 1978 (ISBN 0-486-44580-1)

[7] Roxanne Khamsi, « Star-nosed mole can sniff underwater, videos reveal ».

[ENSTA-8] « Des rideaux de bulles pour atténuer les bruits sous-marins », sur ensta-bretagne.fr (consulté le 30 janvier 2020).

[9] « VIDEO. Pour lutter contre la pollution et contre le bruit, des scientifiques développent des "rideaux de bulles" sous l'eau », sur francetvinfo.fr, 12 février 2018 (consulté le 30 janvier 2020).