Pourquoi la flamme d'une bougie s'élève-t-elle toujours vers le haut ?
― Il n'existe pas de flamme qui brûle vers le bas, car une flamme est un « gaz léger »
Qu'on penche légèrement la bougie ou qu'on tienne une allumette tête en bas, la pointe de la flamme regarde toujours le ciel. Une flamme n'est pas un « objet » qui brûle. C'est le chemin que suit un gaz, devenu si chaud qu'il brille, en remontant dans l'air. C'est pourquoi, dans l'espace, sans poids, la flamme prend une forme ronde, sans haut ni bas.
Sur un gâteau d'anniversaire, plusieurs bougies sont plantées. Même celle qui penche de travers a une flamme parfaitement droite, pointée vers le haut.
Un enfant demande : « Pourquoi le feu va toujours vers le haut ? Il pourrait aussi bien brûler vers le bas. »
Un adulte répond souvent : « Parce que le feu, ça monte, c'est tout. » Mais il y a en réalité une vraie raison. Et une fois qu'on la connaît, on peut même prédire ce qui se passerait dans l'espace.
Deux raisons seulement expliquent pourquoi la flamme monte
Une flamme, c'est en réalité un gaz chaud qui brille en brûlant. Plus un gaz est chaud, plus il se dilate, et pour un même volume, il devient plus léger. Le gaz de la flamme d'une bougie ne pèse qu'environ un cinquième du poids de l'air ambiant.
Ce gaz léger est poussé vers le haut par l'air plus lourd qui l'entoure, depuis le dessous. Dès qu'il s'élève, de l'air neuf s'engouffre par les côtés et par le bas. C'est ce courant d'air qui étire la flamme en une forme allongée vers le haut.
En somme, la flamme ne monte pas de sa propre volonté. C'est l'air environnant, plus lourd, qui s'infiltre dessous et la soulève. Regardons cela étape par étape.
Pourquoi un gaz chaud est-il léger ?
Près de la mèche de la bougie, la cire fondue devient gazeuse et se combine à l'oxygène de l'air pour brûler. La chaleur dégagée porte le gaz environnant à plus de 1000 °C. L'endroit le plus chaud atteindrait environ 1400 °C.
Les particules de gaz s'agitent d'autant plus violemment qu'elles sont chaudes, et s'écartent les unes des autres. Une même quantité de gaz se dilate alors et occupe un volume plus grand. Pour un même récipient d'un litre, le gaz chaud pèse donc beaucoup moins lourd.
Regardez la figure 1. La boîte de gauche contient l'air d'une pièce ordinaire. La boîte du milieu contient un gaz chaud de même volume. En augmentant la température avec le curseur, le contenu de la boîte du milieu s'allège peu à peu, et la flèche vers le haut, à droite, s'allonge.
À 1400 °C, le gaz chaud ne pèse que 0,18 fois le poids de l'air. C'est comme un bouchon de liège flottant dans l'eau. De même que le liège est repoussé vers le haut par l'eau, le gaz léger est repoussé vers le haut par l'air lourd qui l'entoure.
Cette force de poussée atteint environ 80 % de la gravité. On pourrait presque dire que le gaz de la flamme « tombe » vers le haut, avec une vigueur comparable à celle d'un objet qui tombe vers le bas.
C'est l'air environnant qui façonne la flamme
Quand le gaz chaud s'échappe vers le haut, il ne laisse pas un vide derrière lui. L'air environnant s'y engouffre immédiatement, par les côtés et par le bas. Cet air qui arrive contient de l'oxygène neuf.
Cet air neuf se mélange à la cire gazeuse et brûle. Le gaz ainsi réchauffé s'échappe à son tour vers le haut. Ce cycle — entrée par le bas, sortie par le haut — se poursuit sans interruption. Le gaz lumineux s'étire en suivant ce courant, donnant à la flamme une forme de « goutte » : large en bas, pointue en haut.
Regardez la partie gauche de la figure 2. Comme l'indiquent les flèches, l'air entre par les côtés à la base de la flamme, et le gaz chaud sort par la pointe. La forme de la flamme n'est autre que l'image de ce chemin suivi par l'air.
Alors, que se passe-t-il dans un lieu sans poids ? À bord d'une station spatiale, le gaz chaud comme l'air froid flottent tous les deux. Il n'y a, en dessous, aucune « matière lourde » pour pousser le gaz léger vers le haut.
Aucun courant ascendant ne se forme alors. La flamme reste autour de la mèche et prend une forme ronde. L'oxygène neuf ne fait que s'infiltrer lentement depuis l'extérieur. La combustion devenant plus douce, la flamme serait petite, bleue et sombre, selon les observations rapportées. Si la flamme « pointe vers le haut », c'est bien grâce au poids de la Terre.
Quand on tient une allumette tête en bas, la flamme, qui monte, enveloppe par le dessous le bois pas encore brûlé. Le bois se réchauffe à l'avance, et le feu progresse plus vite vers la main. À l'inverse, tenue bien droite vers le haut, la flamme s'éloigne du bois et s'éteint plus facilement. Tenir l'allumette légèrement inclinée vers le bas est un compromis qui vise le meilleur des deux.
Le gaz chaud qui s'échappe vers le haut frotte contre l'air environnant et crée de petits tourbillons. Ces tourbillons se détachent sans cesse, ce qui fait vaciller finement la pointe de la flamme. On sait qu'une petite flamme scintille à un rythme d'environ 10 fois par seconde. C'est pour cette raison qu'une flamme ne reste jamais parfaitement immobile, même dans une pièce sans vent.
En résumé
Une flamme est un gaz chaud qui brille en brûlant. Ce gaz chaud se dilate et devient bien plus léger que l'air environnant. L'air lourd s'infiltrant par-dessous pousse le gaz léger vers le haut, c'est pourquoi la flamme s'étire vers le haut. Le courant d'air entrant par le bas et sortant par le haut donne à la flamme sa forme de goutte. Dans l'espace, sans poids, ce courant ne se forme pas, et la flamme devient ronde.
Si la flamme pointe vers le haut, ce n'est pas parce que le feu veut monter.
C'est parce que l'air environnant, plus lourd, s'infiltre par-dessous.
Pour savoir quelle partie de la bougie brûle réellement, lisez « Dans une bougie, est-ce la mèche qui brûle ? ». Pour comprendre pourquoi le visage chauffe près d'un feu de camp, voyez « Pourquoi, près d'un feu de camp, seul le visage chauffe-t-il ? ». Et sur le fonctionnement de la station spatiale sans poids, consultez aussi « Dans la station spatiale, le corps flotte-t-il parce qu'il n'y a pas de gravité ? ».
- Allumez un bâtonnet d'encens et posez-le debout dans une pièce sans vent. Observez la fumée qui monte tout droit, puis commence à onduler après un moment. Cette fumée rend visible le chemin par lequel le gaz chaud s'échappe vers le haut.
- Allumez une bougie, puis comparez en plaçant la paume de la main à 20 cm sur le côté de la flamme, puis à 40 cm juste au-dessus. Vous devriez sentir plus de chaleur au-dessus, malgré la plus grande distance. C'est parce que le gaz chaud est transporté vers le haut. Ne rapprochez ni votre visage ni vos cheveux de la flamme.
- Penchez lentement l'assiette sur laquelle repose la bougie. Vérifiez que même si la bougie s'incline, la pointe de la flamme continue de pointer vers le haut.
Avant de manipuler du feu, éloignez tout objet inflammable et préparez un verre d'eau. Vérifiez toujours, à la fin, que le feu est bien éteint.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau des matières « physique » et « chimie » au lycée
- Lycée+contenu d'approfondissement du lycée, ou encart des manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (mécanique des fluides, science de la combustion)
- Recherchesujet qui n'est même pas enseigné à l'université comme « établi », et que les chercheurs étudient encore activement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Convection : courant par lequel un gaz ou un liquide réchauffé, devenu léger, monte, tandis qu'un gaz ou liquide froid et lourd s'infiltre à sa place. Le mouvement de l'air autour de la flamme est une convection.
- Poussée (flottabilité) : force qui pousse un objet vers le haut, exercée par le gaz ou le liquide environnant. Plus un objet est léger par rapport à son environnement, plus cette poussée est forte.
- Combustion : transformation par laquelle une substance se combine à l'oxygène en dégageant chaleur et lumière. Dans une bougie, c'est la cire devenue gazeuse qui brûle.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle vitesse le gaz de la flamme monte-t-il ?
Calculons l'accélération de poussée subie par le gaz chaud, puis estimons la vitesse atteinte après avoir parcouru la longueur de la flamme. On utilise la même formule que pour le curseur de la figure 1.
| Écriture symbolique | a = g × (1 − T0 ÷ T), v = √(2 × a × L) |
| Écriture en mots | Accélération de poussée = accélération de gravité × (1 − température ambiante ÷ température du gaz). Vitesse de montée = racine carrée de (2 × accélération de poussée × longueur de la flamme) |
| Origine de la formule | Le poids (la densité) d'un gaz est inversement proportionnel à sa température absolue (loi de Charles). La différence entre la poussée reçue de l'air environnant et le poids du gaz lui-même crée la force vers le haut. La vitesse atteinte sous cette accélération suit la même forme que la formule de la vitesse de chute |
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| a | Accélération vers le haut subie par le gaz chaud (m/s²) |
| g | Accélération de la gravité (9,8 m/s²) |
| T0 | Température absolue de l'air ambiant (K, soit °C + 273) |
| T | Température absolue du gaz dans la flamme (K) |
| L | Longueur de la flamme (m) |
| v | Vitesse de montée du gaz à la pointe de la flamme (m/s) |
| Température absolue de l'air ambiant (20 °C) | 293 K |
| Point le plus chaud de la flamme d'une bougie (environ 1400 °C) | estimé à 1673 K |
| Accélération de la gravité | 9,8 m/s² |
| Longueur de la flamme d'une bougie | environ 3 cm (0,03 m) |
| Poids d'un litre d'air à 20 °C | environ 1,2 g |
| Combien de fois le gaz chaud est plus léger que l'air | 293 ÷ 1673 ≈ 0,175 |
| Poids d'un litre de gaz chaud | 1,2 × 0,175 = 0,21 g |
| Proportion de poussée | 1 − 0,175 = 0,825 |
| Accélération de poussée | 9,8 × 0,825 ≈ 8,09 m/s² |
| 2 × accélération | 2 × 8,09 = 16,18 |
| Multiplié par la longueur de la flamme | 16,18 × 0,03 ≈ 0,485 |
| Sa racine carrée (vitesse de montée) | la racine de 0,485 vaut environ 0,70 m/s |
| Converti en vitesse horaire | 0,70 × 3,6 = 2,52 km/h |
À la pointe de la flamme, le gaz s'échapperait vers le haut à environ 70 cm par seconde, soit à peu près l'allure d'une marche lente. En réalité, le frottement avec l'air environnant ralentit sans doute un peu ce mouvement. Cela reste pourtant une vitesse considérable comparée à la taille de la flamme. C'est ce courant qui étire la flamme vers le haut.
LycéeLycée+Équation d'état des gaz et le gaz qui « tombe » vers le haut
LycéeÀ pression constante, le volume d'un gaz est proportionnel à sa température absolue (loi de Charles). À partir de l'équation d'état des gaz parfaits, on en déduit que la densité est inversement proportionnelle à la température absolue. Le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau produits par la combustion ont un poids légèrement différent de l'air, mais cette estimation les ignore.
Lycée+La force de poussée est égale au « poids de l'air déplacé » (principe d'Archimède). La différence avec le poids du gaz chaud donne la force vers le haut, et en la divisant par le poids du gaz, on obtient l'accélération. Dans la formule ci-dessus, on a divisé l'écart de densité avec l'air par la densité de l'air. C'est le même raisonnement que « l'approximation de Boussinesq », souvent utilisée lorsque cet écart est faible.
UniversitéConvection naturelle et flammes de diffusion
Une flamme comme celle d'une bougie, où le combustible et l'oxygène ne se mélangent qu'au moment de brûler, est appelée « flamme de diffusion ». Sa forme dépend de la vitesse à laquelle le combustible et l'oxygène sont transportés. Sur Terre, la convection naturelle due à la poussée transporte l'oxygène, ce qui étire la flamme vers le haut. Le rapport entre la force de la poussée et celle de la viscosité s'exprime par un nombre sans dimension, le « nombre de Grashof », utilisé pour organiser les données sur la longueur et le vacillement des flammes. Dans un environnement sans poids, la convection disparaît, et l'oxygène n'est plus transporté que par diffusion moléculaire. Il en résulte une flamme de forme sphérique, à température plus basse, produisant moins de suie, et donc bleue et sombre.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Nombre de Grashof (Wikipédia, en japonais) ／ Flottabilité (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- La manière dont les flammes s'éteignent dans l'espace. Des expériences menées sur la Station spatiale internationale ont rapporté l'observation d'une « flamme froide » : une gouttelette de combustible continuerait de brûler à basse température même après la disparition de la flamme visible. Le mécanisme en cause est encore à l'étude.
- Le rythme du vacillement des flammes. On étudie comment le rythme de vacillement d'environ 10 fois par seconde à la pointe d'une flamme varie selon la taille de la flamme et l'intensité de la gravité. On a aussi rapporté que plusieurs flammes placées côte à côte peuvent se synchroniser ou s'alterner.
- La propagation du feu dans un lieu sans poids. La façon dont le feu se propage à bord d'un vaisseau spatial ne peut pas être entièrement vérifiée par des expériences au sol. Des essais ont été menés en faisant brûler de grands morceaux de tissu à l'intérieur de cargos spatiaux inhabités.
Le contenu de cet article reste donc « une explication dans l'état actuel des connaissances ». La raison pour laquelle la flamme pointe vers le haut est certaine, mais des questions non résolues subsistent sur le comportement détaillé des flammes.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : combustion, réchauffement de l'air (convection) | Nature de la flamme, montée du gaz chaud |
| Lycée | Physique : lois des gaz, flottabilité | Figure 1, vérification par le calcul |
| Lycée+ | Physique : principe d'Archimède, approximation de Boussinesq | Calcul de l'accélération à partir de l'écart de densité |
| Université | Mécanique des fluides / science de la combustion : convection naturelle, flamme de diffusion, nombre de Grashof | Figure 2, relation entre forme de la flamme et gravité |
| Recherche | Combustion en microgravité | Expériences sur les flammes à bord de la station spatiale |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Comment tenir une allumette, ne rien poser juste au-dessus d'une bougie |
- Faraday, M. « La Chimie d'une chandelle » (trad. Takeuchi Yoshihito, Iwanami Bunko)
- Law, C. K. "Combustion Physics", Cambridge University Press, 2006.
- Ross, H. D. (ed.) "Microgravity Combustion: Fire in Free Fall", Academic Press, 2001.
- Loi de Charles (Wikipédia, en japonais)
- Nombre de Grashof (Wikipédia, en japonais)
※ Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs chiffrées présentées sont des repères et des estimations destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. La température et la longueur de la flamme varient selon le type de bougie et son emplacement. Toute observation impliquant du feu doit se faire obligatoirement sous la surveillance d'un adulte.