Le verre est-il solide ou liquide ?
― L'idée qu'il « coule lentement » ne tient pas, une fois qu'on fait le calcul
« Les vitraux des vieilles églises sont plus épais en bas. C'est parce que le verre, comme un liquide, s'écoule très lentement pendant des siècles » — vous avez peut-être déjà entendu cette histoire. Elle est séduisante, mais dès qu'on calcule le temps réellement nécessaire, elle s'effondre. Pour que le verre s'écoule vraiment à température ambiante, il ne faudrait pas quelques siècles, mais un temps sans commune mesure, plusieurs ordres de grandeur au-delà.
Dans certaines églises construites au Moyen Âge en Europe, on trouve encore aujourd'hui des vitraux d'époque. En les observant de près, on remarque parfois que l'épaisseur du verre diffère entre le haut et le bas.
De là est né le récit selon lequel « le verre a l'air solide, mais c'est en réalité un liquide qui s'écoule extrêmement lentement, et qui a coulé vers le bas pendant des siècles ». Cette anecdote scientifique populaire circule encore aujourd'hui.
Mais cette histoire a un point faible : personne n'a vraiment calculé « si le verre coule sur une telle durée, de combien coule-t-il réellement ».
Le calcul montre que quelques siècles sont bien trop courts pour que le verre s'écoule de manière visible.
La disposition de ses atomes est désordonnée, comme dans un liquide, mais mécaniquement, il est parfaitement rigide. Cette double nature est à l'origine du malentendu.
En calculant à quel point le verre à température ambiante résiste à l'écoulement, on découvre que quelques siècles ne représentent même pas une marge d'erreur face au temps réellement nécessaire.
Alors, pourquoi les vieux verres ont-ils une épaisseur irrégulière ? Voyons ensemble la véritable raison.
Le verre n'est pas un « liquide figé », mais un « solide amorphe »
La glace ou les métaux ordinaires sont des cristaux, où les atomes sont alignés régulièrement. En refroidissant un liquide, à une certaine température, il s'organise nettement et devient cristal.
Le verre se solidifie autrement. Même en refroidissant du verre fondu, ses atomes ne s'alignent pas proprement. Ils conservent la disposition désordonnée du liquide, et deviennent peu à peu incapables de bouger. Visuellement, c'est un solide transparent, mais à l'échelle atomique, sa structure ressemble à celle d'un liquide — c'est ce qu'on appelle un « solide amorphe ».
Cette double nature — « structure liquide, propriétés solides » — alimente facilement le malentendu selon lequel il s'agirait en réalité d'un liquide. Pourtant, mécaniquement, le verre est sans conteste un solide. Il se brise sous un coup, garde sa forme, et ne s'étale pas en coulant.
Il n'en reste pas moins fermement figé.
Calculons vraiment ce « lent écoulement »
C'est le cœur de cet article. On entend souvent dire que « le verre est un liquide au ralenti extrême, qui finit par s'écouler après des siècles ». Mais peu de gens ont chiffré « en combien de temps, et de combien il s'écoule ».
Le verre possède, lui aussi, une propriété appelée viscosité. Comme le miel ou le bitume (la poix), plus la viscosité est élevée, plus l'écoulement est difficile, et plus il faut de temps pour que la forme change.
À la température où le verre ramollit et devient réellement travaillable (la température de transition vitreuse, environ 550 °C pour le verre à vitre), cette viscosité est descendue à un niveau bien plus dur que celui du miel. Mais à température ambiante, elle remonte encore, et de façon extraordinaire.
En calculant réellement à l'aide des formules (détails dans le dernier volet dépliable), on trouve que pour que le verre à température ambiante s'écoule visiblement, il faudrait un temps bien plus long que quelques siècles. Le temps écoulé entre le Moyen Âge et aujourd'hui n'en représente qu'une infime fraction.
Alors, pourquoi les vieux verres ont-ils une épaisseur irrégulière ?
La véritable raison tient à la « méthode de fabrication ».
Du Moyen Âge jusqu'à une période plus récente, le verre plat était fabriqué à la main. On soufflait le verre fondu pour en faire une sorte de ballon, qu'on ouvrait ou faisait tourner pour l'aplatir en disque. Cette méthode ne produit pas une épaisseur uniforme. Une tendance de fabrication apparaît : plus épais près du centre, plus fin vers les bords.
Dans ce grand disque, on découpait des morceaux carrés pour les vitres. Même à l'intérieur d'un seul morceau découpé, l'épaisseur variait déjà.
Et l'on pense que le vitrier, en posant le verre dans le cadre, plaçait souvent le côté le plus épais en bas. On suppose que c'était parce que le côté épais en bas tenait mieux dans le cadre et était plus facile à manipuler. Ce n'est pas un phénomène physique, mais une décision humaine.
Si le verre coulait vraiment lentement sous l'effet de la gravité pour s'épaissir en bas, tous les vieux vitraux devraient avoir leur épaisseur maximale dans la même direction (vers le bas).
Or, dans la réalité, on trouve aussi de vieux vitraux dont le côté épais a été posé en haut ou sur le côté. C'est la preuve que la direction de l'épaisseur variait déjà, d'un morceau à l'autre, dès le départ. Un tel phénomène serait impossible s'il s'agissait d'un lent écoulement dû à la gravité ; l'explication qui colle le mieux aux observations est que la direction de l'épaisseur dépendait des irrégularités de fabrication et du choix du vitrier au moment de la pose.
Le verre n'est pas totalement immobile pour autant
Précisons, pour éviter tout malentendu. « Ne pas couler en quelques siècles » n'est pas la même chose que « ne jamais couler du tout ».
Si on chauffe le verre, il ramollit naturellement et peut s'écouler pour changer de forme. C'est ce qui permet aux verriers de façonner le verre soufflé à volonté. On pense aussi que sur une durée extrêmement longue (de l'ordre de grandeur mis en évidence par le calcul de cet article), une légère évolution reste théoriquement possible.
Ce que cet article réfute, c'est uniquement l'idée d'un « écoulement visible en un temps aussi court que quelques siècles ». C'est un exemple montrant à quel point tout change dès qu'on estime correctement les échelles de température et de temps.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Préparez deux verres transparents, versez-y ① de l'eau ② du miel (ou du sirop) à la même hauteur
- Inclinez chaque verre lentement, du même angle
- Vérifiez que l'eau bouge immédiatement, alors que le miel bouge lentement
- Si vous avez sous la main un bonbon dur (type caramel vitreux, une matière proche du verre), inclinez-le de la même façon. Vérifiez qu'il ne bouge pas du tout
- Classez la viscosité dans l'ordre : eau → miel → bonbon dur (presque immobile)
Les étapes 4 et 5 sont l'essentiel de cette observation. Vous pouvez ressentir physiquement qu'il existe, dans le prolongement d'une « forte viscosité », des objets qui semblent immobiles. On estime que la viscosité du verre à température ambiante est encore plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de ce bonbon.
En résumé
La disposition des atomes du verre ressemble à celle d'un liquide, mais mécaniquement, c'est un solide véritable (un solide amorphe). L'idée que « les vieux vitraux sont plus épais en bas parce qu'ils ont coulé pendant des siècles » ne tient pas, une fois qu'on calcule réellement le temps nécessaire. La vraie raison, c'est que les anciennes méthodes de fabrication artisanales produisaient dès le départ une épaisseur non uniforme.
Le verre est un solide qui joue les liquides.
Mais son jeu d'acteur ne tient pas la distance face à des siècles de temps.
Pour aller plus loin ― termes, chiffres, liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets encore en recherche, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau du programme de « chimie fondamentale » au lycée
- Lycée+Niveau « chimie », « physique » du lycée, ou contenu approfondi / encadré des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'un cours universitaire spécialisé (science des matériaux)
- RechercheSujet qui n'est encore enseigné nulle part comme un « fait établi », activement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots du verre
- Cristal : solide formé d'atomes ou de molécules disposés régulièrement. La glace et le sel de table en sont des exemples.
- Amorphe : état où la disposition des atomes est désordonnée. C'est le terme qui désigne l'état du verre.
- Viscosité : degré de résistance à l'écoulement. Plus elle est élevée, plus il faut de temps pour changer de forme.
- Température de transition vitreuse : température de repère à partir de laquelle le verre refroidi et figé commence à ramollir sous l'effet de la chaleur.
- Verre à la couronne / verre en cylindre : méthodes artisanales de fabrication du verre plat utilisées du Moyen Âge à l'époque moderne.
LycéeVérification par le calcul : à quel point le verre à température ambiante résiste-t-il à l'écoulement ?
Nous avons écrit dans le texte que « le verre ne coule pas en quelques siècles ». Vérifions-le à l'aide de grandeurs physiques réelles. Nous utilisons une relation simple qui, à partir de la viscosité, donne un ordre de grandeur du « temps nécessaire pour changer de forme ».
Temps caractéristique de déformation = viscosité ÷ rigidité (module d'élasticité)
| Temps caractéristique de déformation | en secondes |
| Viscosité | en Pa·s (pascal-seconde). Plus la valeur est grande, plus l'écoulement est difficile |
| Rigidité (module d'élasticité) | en Pa. Pour le verre, on retient une valeur d'environ 3×10¹⁰ Pa |
C'est une relation couramment utilisée pour représenter le temps approximatif nécessaire pour qu'une matière, une fois sollicitée, dissipe entièrement cette contrainte par viscosité. Plus la viscosité est élevée, plus ce temps est long.
À la température de transition vitreuse (environ 550 °C), où le verre à vitre commence à ramollir, la viscosité atteint une valeur d'environ 10¹² Pa·s — c'est justement la convention utilisée pour définir cette température repère.
| Viscosité à la transition vitreuse | 10¹² Pa·s |
| Rigidité (module d'élasticité) | 3 × 10¹⁰ Pa |
| Division | 10¹² ÷ (3 × 10¹⁰) ≒ 33,3 |
| Temps caractéristique de déformation | environ 33 secondes |
On obtient qu'à la température de transition vitreuse, la forme commence à changer en à peine une trentaine de secondes. Cela correspond bien à l'expérience concrète des verriers, qui sentent le verre ramollir presque immédiatement à cette température.
La température ambiante (environ 20 °C) est inférieure d'environ 530 °C à la température de transition vitreuse (environ 550 °C).
Les substances amorphes comme le verre ont la propriété suivante : plus la température descend en dessous de la transition vitreuse, plus la viscosité grimpe de façon vertigineuse. Posons ici une hypothèse volontairement prudente.
| De façon prudente, combien de fois la viscosité à température ambiante dépasse celle de la transition | 10¹² fois (en réalité, sans doute bien plus encore) |
| On multiplie le temps de ② par ce facteur | 33 × 10¹² secondes |
| Une année ≈ 3,15 × 10⁷ secondes | |
| Conversion en années | (33 × 10¹²) ÷ (3,15 × 10⁷) ≒ 1,05 × 10⁶ |
| Temps caractéristique de déformation | au moins environ 1,05 million d'années |
Même avec une « hypothèse prudente », on dépasse déjà le million d'années. Or, depuis la construction des vieilles églises médiévales, il ne s'est écoulé qu'environ 800 ans.
| Temps nécessaire (estimation prudente) | environ 1,05 million d'années |
| Temps réellement écoulé | environ 800 ans |
| Rapport entre les deux | 1 050 000 ÷ 800 = 1 312,5 fois |
Même avec une estimation prudente, à peine 1/1300ᵉ environ du temps nécessaire s'est écoulé. Et comme mentionné dans le texte, la viscosité réelle à température ambiante est probablement encore bien plus élevée que dans ce calcul. L'idée que « le verre a coulé et changé d'épaisseur en quelques siècles » manque de temps, quelle que soit la façon dont on l'estime.
※ L'évolution de la viscosité entre la transition vitreuse et la température ambiante ne suit pas un simple facteur constant. Il s'agit ici d'une estimation volontairement prudente, destinée à montrer que le temps manque totalement.
Lycée+La transition vitreuse n'est pas une température fixe
La transition vitreuse n'est pas définie par une température unique et précise. C'est une température repère, définie par une valeur de viscosité de référence (10¹² Pa·s dans cet article) correspondant à « l'état où la viscosité atteint cette valeur ».
C'est pourquoi la transition vitreuse observée varie quelque peu selon la vitesse de refroidissement du verre. Plus le refroidissement est lent, plus les atomes ont le temps de s'approcher d'un état ordonné, et la transition mesurée tend à être légèrement plus basse. Autrement dit, « devenir du verre » n'est pas un événement instantané, mais une transition qui s'étale dans le temps.
UniversitéPourquoi la viscosité augmente-t-elle « anormalement » quand la température baisse ?
Dans un liquide ordinaire (l'eau, par exemple), la viscosité augmente progressivement quand la température baisse. Mais pour de nombreuses substances vitrifiables, l'augmentation de la viscosité devient anormalement abrupte à l'approche de la transition vitreuse. On appelle ce comportement un comportement « fragile » (fragile liquid), qu'une simple fonction exponentielle ne peut pas décrire.
Pour représenter ce changement brutal, on utilise une formule plus complexe appelée équation de Vogel-Fulcher-Tammann. Le « facteur simple » utilisé dans les calculs ② et ③ n'est qu'une simplification servant à donner un ordre de grandeur ; en réalité, la physique évolue de façon bien plus complexe, en suivant cette équation.
À cause de cette propriété, mesurer expérimentalement et directement la viscosité exacte à des températures très inférieures à la transition vitreuse est extrêmement difficile. Le temps nécessaire à la mesure elle-même devient d'une durée totalement irréaliste pour une expérience.
RechercheCe qui reste encore incertain
- La nature même de la transition vitreuse est considérée comme l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique. Le débat se poursuit encore aujourd'hui : en quoi cela diffère-t-il d'un changement de phase (comme l'eau qui devient glace) ? S'agit-il simplement d'un ralentissement du mouvement qui donne l'illusion d'un solide, ou y a-t-il un véritable changement structurel sous-jacent ?
- Il existe une idée théorique appelée « transition vitreuse idéale ». C'est l'hypothèse théorique (liée aussi au paradoxe de Kauzmann) selon laquelle, si l'on pouvait refroidir infiniment lentement, il existerait une température où la viscosité deviendrait réellement infinie — mais cela n'a jamais pu être vérifié directement par l'expérience.
- La valeur exacte de la viscosité près de la température ambiante ne pouvant pas être mesurée directement, on s'appuie sur la théorie ou sur une extrapolation à partir de mesures faites à des températures légèrement plus élevées. Selon la méthode d'extrapolation utilisée, les valeurs estimées présentent encore une grande marge d'incertitude. C'est pour cette raison que le calcul de cet article a été qualifié d'« estimation prudente ».
- La façon dont les atomes du verre continuent (éventuellement) à bouger très légèrement fait elle aussi l'objet de recherches détaillées. Des simulations informatiques explorent ces mouvements à des échelles de temps extrêmement courtes.
Derrière la question, en apparence simple, de savoir si le verre est liquide ou solide, se cache un vaste territoire où la physique elle-même n'a pas encore toutes les réponses. Un exemple où un matériau du quotidien s'avère être, en réalité, un objet de recherche de pointe.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ・ changements d'état et cristaux | Différence entre cristal et amorphe |
| Lycée | Chimie fondamentale ・ états de la matière | Calcul du temps à partir de la viscosité et du module d'élasticité |
| Lycée+ | Chimie ・ solides amorphes | Définition de la transition vitreuse, lien avec la vitesse de refroidissement |
| Université | Science des matériaux ・ rhéologie | Comportement fragile, équation de Vogel-Fulcher-Tammann |
| Recherche | Physique de la matière condensée (non résolu) | Transition vitreuse idéale, extrapolation de la viscosité à température ambiante, mouvements à l'échelle atomique |
| ― | Histoire des sciences ・ artisanat | Procédé du verre à la couronne, exemples de vieux vitraux d'églises |
- Zanotto, E. D., Do cathedral glasses flow?, American Journal of Physics 66, 1998 (article de référence ayant testé quantitativement cette légende populaire).
- Debenedetti, P. G. & Stillinger, F. H., Supercooled liquids and the glass transition, Nature 410, 2001 (synthèse sur la physique de la transition vitreuse).
- Manuels relatifs à l'ingénierie du verre publiés par l'Association céramique du Japon (日本セラミックス協会, Ceramic Society of Japan), concernant la définition de la transition vitreuse et de la viscosité.
- Angell, C. A., Formation of glasses from liquids and biopolymers, Science 267, 1995 (étude sur le comportement fragile).
- Documents d'histoire de l'artisanat verrier sur l'histoire du verre plat et le procédé médiéval du verre à la couronne.
※ Les valeurs de viscosité, de module d'élasticité et de facteur de température sont des ordres de grandeur représentatifs, qui varient selon la composition et les conditions réelles. La viscosité à température ambiante étant impossible à mesurer directement, il s'agit d'une estimation par extrapolation.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères pour comprendre le mécanisme ; en particulier, la viscosité du verre à température ambiante repose sur une estimation théorique. Pour des informations détaillées sur les vitraux de bâtiments historiques, veuillez consulter les documents des bâtiments concernés ou d'organismes spécialisés.