Pourquoi le souffle est-il chaud quand on dit « haaa » et froid quand on dit « fiou » ?
― Le souffle pincé entraîne, avant d'atteindre la main, plus de deux fois son volume d'air ambiant
« Haaa » pour des mains froides, « fiou » pour une soupe brûlante. Depuis l'enfance, nous utilisons le même souffle tantôt chaud, tantôt froid. Pourtant, la température du souffle qui sort du corps devrait être unique. Ce qui change, ce n'est pas le souffle lui-même, mais le « trajet » qu'il parcourt avant d'arriver à la main.
Sur le chemin du retour, par une soirée d'hiver, vous portez vos mains gourdes devant votre bouche et soufflez « haaa ». Une douce chaleur se répand dans vos paumes.
De retour à la maison, vous prenez une cuillerée de soupe fumante. Cette fois, vous pincez les lèvres et soufflez « fiou ». Le souffle projeté paraît étonnamment froid.
Si un enfant vous demandait : « Pourquoi, alors que ça sort de la même bouche, il y a un souffle chaud et un souffle froid ? », que répondriez-vous ?
Il n'y a que deux raisons
Un souffle fin et rapide entraîne l'air environnant en avançant. Au moment où il atteint la main, l'air de la pièce y est plus abondant que le souffle lui-même, et la température a chuté.
Un vent rapide arrache la fine couche d'air chaud qui enveloppe la peau et accélère aussi l'évaporation de l'humidité. Le « haaa », lent et humide, fait l'inverse : il dépose de la chaleur.
À l'instant où il sort de la bouche, le souffle est, dans les deux cas, à environ 34°C. La différence se crée dans les quelques centimètres à la dizaine de centimètres qui séparent la bouche de la main.
Le jet fin avance en « entraînant » l'air environnant
En pinçant la bouche, la même quantité de souffle passe par une ouverture plus petite, ce qui accélère le flux. Si l'on réduit le diamètre de l'ouverture à un quart, la surface est divisée par seize. Pour pousser la même quantité d'air, la vitesse est donc multipliée par environ seize.
À la frontière entre le flux rapide et l'air immobile de la pièce, de nombreux petits tourbillons se forment. Ces tourbillons saisissent l'air environnant et l'entraînent dans le flux. Le jet s'élargit en avançant, et son contenu est peu à peu remplacé par de l'« air de la pièce ».
Regardez la partie droite de la figure 1. Le souffle sorti d'une bouche pincée s'élargit en cône à mesure qu'il avance. Comme l'indiquent les flèches en haut et en bas, de l'air à 20°C s'y engouffre latéralement. Au moment où il atteint la main, la température calculée avoisine 24°C. C'est nettement plus bas que la température de la peau (environ 32°C), d'où la sensation de froid.
À gauche de la figure 1, en revanche, le « haaa » est soufflé bouche grande ouverte, main rapprochée. Le flux est large et lent. Le cœur d'un flux large, dit-on, reste sur une distance de plusieurs fois la largeur de la bouche sans se mélanger à l'air environnant. Il atteint donc la main en restant proche de 34°C.
Le vent rapide emporte le « film chaud » de la peau et son humidité
Juste au-dessus de la peau se trouve toujours une fine couche d'air réchauffée par le corps. Dans un endroit calme, cette couche enveloppe la peau comme une petite couverture. Un vent rapide arrache cette couche en continu et expose sans cesse la peau à de l'air neuf. Ainsi, même à température égale, un air qui souffle plus vite emporte davantage de chaleur.
Le mouvement de l'humidité s'inverse aussi. Le souffle du « haaa » contient beaucoup de vapeur d'eau venue de l'intérieur du corps. Au contact de mains froides, une partie de cette vapeur se recondense en gouttelettes — comme lorsqu'on souffle « haaa » sur une vitre ou des lunettes et qu'elles s'embuent. En redevenant liquide, la vapeur d'eau restitue à la main la chaleur qu'elle avait emmagasinée.
Le « fiou », lui, arrive après s'être mélangé à l'air sec de la pièce. Sur une peau humide ou la surface d'une soupe, l'eau s'évapore alors abondamment. Or l'évaporation absorbe de la chaleur, ce qui renforce encore la sensation de froid. Si souffler sur une soupe la refroidit plus vite, c'est parce qu'on chasse la vapeur et qu'on envoie continuellement de l'air sec sur sa surface.
On rencontre souvent l'explication suivante : « l'air sorti d'une bouche pincée se refroidit en se dilatant ». Il est vrai qu'un gaz qui se dilate se refroidit. Mais lors d'un souffle ordinaire, la pression dans la bouche ne dépasserait la pression atmosphérique que d'environ 1 %. La baisse de température due à cet écart est inférieure à 1°C : elle ne peut pas expliquer la différence de près de 10°C ressentie par la main. Le vrai responsable, c'est l'entraînement d'air.
En résumé
La température du souffle à sa sortie de la bouche ne change pas, que l'on dise « haaa » ou « fiou ». Le souffle pincé forme un jet fin et rapide qui, avant d'atteindre la main, se mélange à plus de deux fois son volume d'air ambiant et se refroidit. De plus, le vent rapide emporte le film chaud et l'humidité de la peau. Le souffle d'une bouche grande ouverte arrive chaud et humide, et y dépose de la chaleur.
Ce n'est pas le corps qui change la température du souffle, c'est le trajet.
Plus le souffle est fin, plus il arrive dilué dans l'air de la pièce.
Le mécanisme par lequel un simple courant d'air rafraîchit est détaillé dans Pourquoi le vent d'un ventilateur donne-t-il une sensation de fraîcheur ?, et la vapeur d'eau contenue dans le souffle est expliquée dans Pourquoi l'haleine devient-elle blanche en hiver ?.
- Pincez les lèvres, placez votre paume à environ 3 cm de la bouche, et soufflez « fiou ». Ce sera moins froid que prévu.
- En gardant la même façon de souffler, éloignez peu à peu la main jusqu'à 20-30 cm. Plus elle est loin, plus la fraîcheur se fait nette et distincte.
- Ouvrez ensuite grand la bouche, rapprochez la paume à environ 5 cm et dites « haaa ». Puis éloignez la main à 30 cm et soufflez de la même façon : comparez comment la chaleur évolue.
Avec un thermomètre de cuisine, en plaçant la pointe dans le souffle à différentes distances, on peut mesurer chiffres à l'appui cette baisse due à l'entraînement d'air. Veillez à ne pas mettre le thermomètre en bouche.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université, chaque niveau est clairement indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique du lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (mécanique des fluides, thermique)
- RecherchePas encore une « vérité établie » même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Jet : flux qui sort avec force d'une petite ouverture et avance dans une direction quasi unique. Le souffle d'une bouche pincée en est un exemple.
- Entraînement : phénomène par lequel un flux rapide capte, via les tourbillons de sa frontière, le fluide immobile environnant et s'élargit ainsi.
- Chaleur de condensation : chaleur libérée quand la vapeur d'eau redevient liquide. Elle correspond exactement à la chaleur absorbée lors de l'évaporation.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle température le souffle pincé arrive-t-il à la main ?
Quand le souffle se mélange à l'air de la pièce, la chaleur totale ne varie pas. Il suffit de connaître la proportion du mélange pour obtenir la température à la main. Calculons le cas d'une bouche pincée, main à 10 cm.
| En symboles | T − Tpièce ＝ ( Tsouffle − Tpièce ) × m0 ／ m, avec m ／ m0 ≒ 0,32 × x ／ d |
| En mots | « L'écart au-dessus de la température de la pièce » à la main ＝ cet écart à la sortie de la bouche × (quantité de souffle émise ÷ quantité totale du flux après entraînement). La quantité de flux croît proportionnellement au nombre de fois que la distance dépasse le diamètre de l'ouverture |
| Origine de la formule | La première partie vient de la conservation de la chaleur (le mélange ne change pas la somme totale de chaleur). Le 0,32 de la seconde partie est une valeur mesurée expérimentalement pour la proportion d'air ambiant captée par un jet rond (Ricou et Spalding, 1961) |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| T | Température du souffle à la main (°C) |
| Tsouffle, Tpièce | Température du souffle à la sortie de la bouche, température de l'air de la pièce (°C) |
| m0, m | Quantité de souffle émise, quantité d'air circulant au niveau de la main (masse par seconde) |
| x, d | Distance de la bouche à la main, diamètre de l'ouverture de la bouche (cm) |
| Température de l'air de la pièce | 20°C |
| Température du souffle à la sortie de la bouche | env. 34°C |
| Température de la peau de la paume | env. 32°C |
| Diamètre de l'ouverture de la bouche pincée | env. 1 cm |
| Distance de la bouche à la main | 10 cm |
| Écart du souffle par rapport à la pièce | 34 − 20 ＝ 14 (°C) |
| Distance en multiples du diamètre de l'ouverture | 10 ÷ 1 ＝ 10 (fois) |
| Air circulant à la main, en multiples du souffle émis | 0,32 × 10 ＝ 3,2 (fois) |
| Écart restant au-dessus de la pièce, à la main | 14 ÷ 3,2 ≒ 4,4 (°C) |
| Température du souffle à la main | 20 ＋ 4,4 ＝ 24,4 (°C) |
| Écart avec la température de la peau | 32 − 24,4 ＝ 7,6 (°C) |
Plus des deux tiers de l'air qui atteint la main est de l'air de la pièce entraîné en chemin. Le souffle arrive sous forme d'un courant presque 8°C plus froid que la peau. Pour le « haaa », avec une largeur de bouche d'environ 4 cm et une main à 5 cm, la distance ne représente que 1,25 fois l'ouverture. Or le cœur du jet resterait non mélangé jusqu'à environ 5 fois le diamètre de l'ouverture : le souffle atteint donc la main en restant proche de 34°C.
LycéeLycée+Conservation de la chaleur et refroidissement par détente adiabatique
LycéeQuand on mélange deux objets de températures différentes, « la chaleur perdue par le plus chaud ＝ la chaleur gagnée par le plus froid » : c'est la conservation de la chaleur. La première partie de la formule ci-dessus applique ce principe au mélange de deux masses d'air. C'est la même forme que le calcul de la température obtenue en mélangeant de l'eau froide et de l'eau chaude.
Lycée+Un gaz qui se dilate sans échange de chaleur se refroidit (détente adiabatique). La relation entre température et pression est donnée par la loi de Poisson : pour l'air, la température est proportionnelle à la pression élevée à la puissance environ 0,29. Si la pression dans la bouche ne dépasse la pression atmosphérique que de 1 %, la baisse de température due à la dilatation est inférieure à 1°C. L'explication « ça se dilate en pinçant, donc ça refroidit » ne peut pas rendre compte de l'écart ressenti par la main.
UniversitéAuto-similarité du jet turbulent et hypothèse d'entraînement
Un jet rond sorti de la bouche devient un jet turbulent après avoir parcouru quelques fois le diamètre de l'ouverture. Au-delà, la distribution de vitesse et de température s'élargit en gardant toujours la même forme relative à la distance : c'est l'« auto-similarité ». L'angle d'ouverture reste à peu près constant, le débit croît proportionnellement à la distance, tandis que la vitesse et l'écart de température au centre diminuent en proportion inverse de la distance. L'idée selon laquelle la vitesse d'entraînement à la frontière est proportionnelle à la vitesse centrale s'appelle l'« hypothèse d'entraînement » ; elle a été popularisée par Morton, Taylor et Turner en 1956 pour l'ascension de la fumée dans une cheminée. La vitesse à laquelle le vent refroidit la peau se décrit par le coefficient d'échange thermique en convection forcée (nombre de Nusselt).
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Jet (Wikipédia) ／ Processus adiabatique (Wikipédia)
RechercheCe qui n'est pas encore bien élucidé
- Forme des lèvres et mélange du souffle. Les taux d'entraînement mesurés expérimentalement concernent surtout des buses rondes. On ne sait pas précisément dans quelle mesure le mélange diffère pour une ouverture souple et irrégulière comme les lèvres humaines.
- Jusqu'où va le souffle expiré ? La façon dont le souffle émis en parlant, toussant ou respirant se propage dans une pièce fait l'objet de recherches actives ces dernières années, dans une optique de prévention des infections. La combinaison de l'effet ascensionnel d'un souffle chaud et humide, et de sa dilution par entraînement, continue de faire l'objet de calculs et d'expériences précis.
- Différences individuelles dans la perception du froid. L'intensité avec laquelle la peau ressent le « froid » dépend non seulement de la température, mais aussi de la vitesse à laquelle la chaleur est emportée. Les tentatives pour représenter dans un seul modèle les différences selon les zones du corps et les individus sont encore en cours.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans les limites de ce qui est connu aujourd'hui ». La valeur de 24°C n'est qu'une estimation obtenue en appliquant le modèle d'un jet rond idéal.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « vapeur d'eau et point de rosée », « transmission de la chaleur » | Buée sur les lunettes avec le « haaa », refroidissement de la peau par le vent |
| Lycée | Physique « conservation de la chaleur » | Calcul de la température lors du mélange du souffle et de l'air de la pièce |
| Lycée+ | Physique « transformation adiabatique, loi de Poisson » | Pourquoi l'explication « ça se dilate et refroidit » reste un effet mineur |
| Université | Mécanique des fluides « jet turbulent », thermique « convection forcée » | Taux d'entraînement de 0,32, vitesse d'évacuation de la chaleur de la peau par le vent |
| Recherche | Diffusion de l'air expiré, modèles de sensation thermique | Influence de la forme des lèvres, portée du souffle |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pour des mains gourdes, ouvrir grand la bouche et se rapprocher pour réchauffer ; pour un aliment chaud, pincer les lèvres et souffler d'un peu plus loin, pour plus d'efficacité |
- Ricou, F. P. & Spalding, D. B. (1961) Measurements of entrainment by axisymmetrical turbulent jets. Journal of Fluid Mechanics 11, 21–32.
- Morton, B. R., Taylor, G. I. & Turner, J. S. (1956) Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources. Proceedings of the Royal Society of London A 234, 1–23.
- Pope, S. B. (2000) Turbulent Flows. Cambridge University Press (chapitre sur les jets ronds).
- Wikipédia « Jet » (噴流)
- Wikipédia « Processus adiabatique » (断熱過程)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La température du souffle et de la peau varie selon les individus, la température de la pièce et la façon de souffler.