Verser de l'huile sur la mer calme-t-il vraiment les vagues ?
― La légende des marins n'était qu'à moitié vraie
Les marins d'autrefois, dit-on, versaient de l'huile sur une mer en tempête pour calmer les vagues autour de leur navire. Ce n'est pas une invention. Mais l'huile n'efface pas les grosses vagues elles-mêmes : elle efface les petites « ridules » qui permettent au vent de s'accrocher aux grosses vagues.
Un port, un jour de vent. La surface de la mer scintille, hérissée de petites ridules. Mais par endroits, des bandes lisses réfléchissent la lumière comme un miroir.
Les pêcheurs disent depuis longtemps que les poissons se rassemblent parfois près de ces bandes. On pense que ces traces sont un film très fin, formé par des matières grasses produites par les poissons ou le plancton.
Le vent souffle pourtant de façon uniforme : pourquoi les vagues ne se forment-elles pas sur cette bande ? C'est là que se cache la raison pour laquelle les marins parlaient de « calmer les vagues avec de l'huile ».
Deux raisons seulement expliquent l'effet de l'huile
Le vent transmet son énergie aux vagues en s'accrochant aux petites ridules de la surface. Le film d'huile efface ces ridules. Privé de prise, le vent glisse sur l'eau et peine à faire grossir les vagues.
Une surface recouverte d'un film tend à revenir en place quand elle est étirée. Cette force de rappel freine les oscillations des ridules. Plus la vague est petite, plus ce frein est efficace.
Autrement dit, l'huile n'écrase pas directement les vagues. Elle bloque à la fois la porte d'entrée qui permet aux vagues de grossir, et les petites oscillations.
Le vent « s'accroche » aux ridules pour faire grossir les vagues
La plupart des vagues marines sont créées par le vent. Pourtant, quand le vent caresse une surface parfaitement lisse, l'eau bouge à peine. Ce que le vent crée d'abord, ce sont des ridules de quelques centimètres de long.
Une fois ces ridules formées, la surface devient bosselée. Le vent peut alors pousser sur le côté au vent de chaque bosse. Les ridules servent en quelque sorte de poignée, qui permet au vent de saisir les vagues.
Regardez la figure 1. À gauche, sur une surface sans film, des ridules chevauchent la houle et les flèches du vent s'y accrochent. À droite, sur une surface recouverte d'un film, les ridules ont disparu. Les flèches du vent glissent simplement au-dessus.
On pense que le déferlement blanc des crêtes est lui aussi lié aux ridules. Avec un film, les crêtes déferleraient moins facilement. Pour un navire, le danger vient moins de la hauteur de la houle que des vagues qui s'effondrent depuis le sommet. Si les marins d'autrefois comptaient sur l'huile, c'était pour atténuer ce déferlement.
Pourquoi un film si fin peut-il arrêter les ridules ?
La surface de l'eau est soumise à une force qui tend à réduire sa surface au minimum : c'est la tension superficielle. Pour les ridules de moins de quelques centimètres, cette force est le principal moteur du retour à l'équilibre.
Quand un film d'huile s'étale sur l'eau, la tension superficielle diminue un peu. La baisse dépend de la densité du film. Là où le film est étiré et fin, la tension superficielle se rapproche de celle de l'eau pure. Là où le film est comprimé, elle reste faible.
Regardez la figure 2. Quand une ridule avance, la surface alterne entre zones étirées et zones comprimées, selon la pente. La zone étirée, où la tension superficielle est forte, tire alors le film de la zone comprimée. Cette traction entraîne aussi l'eau située sous le film. L'oscillation de la surface est ainsi amortie peu à peu par ce frottement.
Voilà le point qui explique pourquoi la légende n'est « qu'à moitié vraie ». Pour une houle longue de plusieurs dizaines de mètres, l'étirement de la surface est extrêmement doux. Le frein du film n'agit presque pas. On pense que l'huile ne peut pas aplatir la houle : elle ne fait que lisser la surface et atténuer le déferlement.
Vers 1774, l'Américain Benjamin Franklin a vérifié cette légende par lui-même. Sur un étang de Londres, il a versé, au vent, environ une cuillère à café d'huile. L'huile s'est étalée de façon spectaculaire, transformant en miroir, selon ses écrits, environ un demi-acre (près de 2000 mètres carrés) de surface. Cette expansion a plus tard permis d'estimer que le film n'avait l'épaisseur que d'une seule molécule (calcul détaillé dans le menu déroulant).
Du XIXe au début du XXe siècle, les navires embarquaient, dit-on, de l'huile pour calmer les vagues. On la versait depuis un sac de toile percé de trous, suspendu au vent, côté bastingage. Le film n'a pas besoin d'être épais : il suffit qu'il s'étale. D'où cette méthode connue empiriquement : laisser couler une petite quantité, lentement. Aujourd'hui, cette pratique est abandonnée car elle pollue la mer.
En résumé
Ce que l'huile calme, ce ne sont pas les grosses houles, mais les fines ridules à leur surface. Une fois les ridules effacées, le vent ne peut plus saisir les vagues, et les crêtes déferlent moins facilement. Le savoir des marins exploitait, à juste titre et par l'expérience, la force d'un film d'une finesse invisible.
L'huile n'écrase pas les vagues.
Elle retire, discrètement, la prise que le vent utilisait pour les saisir.
Pour comprendre comment les vagues se propagent à la surface de l'eau, lisez « Pourquoi un caillou jeté dans un étang forme-t-il des cercles qui s'élargissent ? », et pour découvrir la véritable nature de ces longues houles que l'huile ne peut effacer, lisez « Pourquoi de grosses vagues arrivent-elles soudain, même sans vent ? ».
- Remplissez une bassine d'eau et soufflez obliquement sur la surface avec une paille. Vérifiez que de fines ridules apparaissent et que la lumière scintille.
- Laissez tomber une seule goutte d'huile alimentaire sur l'eau et attendez un peu. Une fois l'huile étalée, soufflez à nouveau avec la même intensité.
- Comparez la formation des ridules et le scintillement de la lumière. En saupoudrant du poivre sur l'eau au préalable, vous verrez aussi comment l'huile s'étale en film.
Une toute petite quantité d'huile suffit. Une fois terminé, épongez l'huile avec du papier journal avant de vider l'eau. Toucher la surface avec un doigt trempé dans de l'eau savonneuse peut produire un effet similaire.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu collège aux matières spécialisées universitaires, le niveau de chaque point est indiqué
- CollègeNiveau des sciences au collège
- LycéeNiveau des cours de « physique » et « chimie » au lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré des manuels
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (mécanique des fluides, chimie des interfaces)
- RechercheNon établi même à l'université comme « vérité admise » : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Tension superficielle : force qui pousse la surface d'un liquide à réduire son aire au minimum. C'est elle qui rend les gouttes d'eau rondes.
- Onde capillaire : onde d'une longueur inférieure à environ 2 centimètres, dont le retour à l'équilibre est principalement dû à la tension superficielle. La plupart des ridules en font partie.
- Film monomoléculaire : film formé d'une seule couche de molécules alignées. Un film d'huile étalé sur l'eau peut, selon les conditions, avoir une épaisseur proche de celle-ci.
- Slick (nappe lisse) : bande ou traînée lisse visible à la surface de la mer ou d'un lac. C'est l'endroit où un film naturel très fin a effacé les ridules.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle était l'épaisseur du film d'huile de Franklin ?
Diviser un volume par une surface donne une épaisseur. Calculons à partir des données « une cuillère à café » et « un demi-acre ». Le volume d'une cuillère à café variant selon l'époque et l'ustensile, on utilise ici une valeur indicative.
| Symbole | Signification et unité |
| Volume d'huile (estimation d'une cuillère à café de l'époque) | environ 2 mL (soit 0,000002 m³) |
| Surface recouverte (estimation d'un demi-acre) | environ 2000 m² |
| 1 m exprimé en nanomètres | 1 000 000 000 nm |
| Surface d'une natte tatami | environ 1,62 m² |
| Épaisseur du film (en mètres) = volume ÷ surface | 0,000002 ÷ 2000 = 0,000000001 |
| Conversion en nanomètres | 0,000000001 × 1 000 000 000 = 1 |
| Surface recouverte en nombre de tatamis | 2000 ÷ 1,62 ≈ 1235 |
L'épaisseur du film est d'environ 1 nanomètre, soit un milliardième de mètre. C'est à peu près la longueur d'une seule molécule d'huile : le calcul correspond à une couche moléculaire quasi unique. Une cuillère à café a donc recouvert, d'une seule couche de molécules, une surface équivalente à environ 1200 nattes tatami. À la fin du XIXe siècle, Lord Rayleigh a utilisé le même raisonnement pour estimer la taille des molécules.
LycéeLycée+Sur les ridules et la houle, la force de rappel change de nature
LycéeUne onde oscille parce qu'une force ramène la surface déformée vers sa position d'origine. Pour les ondes longues, c'est le poids de l'eau soulevée qui joue ce rôle. Pour les ondes courtes, c'est la tension superficielle. La frontière où les deux effets s'équilibrent se situe, pour l'eau, autour de 1,7 centimètre.
Lycée+Le film ne fait pas que réduire un peu la valeur de la tension superficielle. Il confère à la surface une propriété d'élasticité : la tension superficielle varie selon l'étirement. Là où il existe une différence de tension superficielle, la surface est attirée vers le côté où la tension est la plus forte. Cet écoulement, appelé effet Marangoni, intervient aussi dans les « larmes du vin » qui coulent en gouttelettes le long d'un verre.
UniversitéL'élasticité du film amplifie fortement l'atténuation des ondes
Sur une surface d'eau pure, l'oscillation des ondes s'atténue principalement, et lentement, sous l'effet de la viscosité de l'eau. Quand la surface porte un film élastique, une fine couche où la vitesse varie brusquement se forme juste sous la surface. Les pertes par viscosité s'y concentrent, ce qui renforce fortement l'atténuation. L'ampleur de ce renforcement dépend de l'élasticité du film et de la longueur d'onde ; il serait maximal pour des ondes de quelques centimètres. Cette théorie est traitée dans les manuels classiques de mécanique des fluides.
RechercheCe qui reste encore mal connu
- Jusqu'où un film freine-t-il la croissance des vagues sur une mer agitée ? En bassin d'essai, on peut mesurer l'atténuation des ridules, mais en haute mer, par vent fort, le film se déchire ou se mélange à l'eau. Quantifier son efficacité réelle serait difficile.
- L'influence des films naturels sur les échanges entre mer et atmosphère. On étudie la possibilité qu'un film fin à la surface de la mer freine les échanges de gaz comme le dioxyde de carbone. L'ampleur de cet effet à l'échelle planétaire reste incertaine.
- Le déclenchement du déferlement des crêtes. Le rôle des ridules et des films dans les conditions de formation de l'écume reste étudié, à la fois par l'observation et par le calcul.
Autrement dit, le contenu de cet article reste lui aussi « une explication valable dans l'état actuel des connaissances ». Le mécanisme qui efface les ridules est bien compris, mais son utilité à l'échelle d'une mer entière fait encore débat.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, propriétés de la matière, calcul de volume et de surface | Tension superficielle, calcul de l'épaisseur du film d'huile |
| Lycée | Physique, propriétés des ondes ; Chimie, taille des molécules | Le changement de force de rappel entre le poids et la tension superficielle |
| Lycée+ | Physique, approfondissement sur la tension superficielle | Effet Marangoni, élasticité de surface |
| Université | Mécanique des fluides, chimie des interfaces | Théorie de l'atténuation des ondes par un film |
| Recherche | Physique océanique, interaction air-mer | Efficacité en haute mer, échanges gazeux |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Reconnaître les traces lisses en mer, observation dans une bassine |
- Benjamin Franklin, William Brown, William Brownrigg, "Of the stilling of waves by means of oil", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 64 (1774)
- Lord Rayleigh, "Measurements of the amount of oil necessary in order to check the motions of camphor upon water", Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 47 (1890)
- Agnes Pockels, "Surface tension", Nature, Vol. 43 (1891)
- Horace Lamb, "Hydrodynamics" (manuel classique de mécanique des fluides, traite de l'atténuation des ondes par un film de surface)
- Pline l'Ancien, « Histoire naturelle » (大プリニウス『博物誌』) (mentionne que verser de l'huile sur la mer en calme la surface)
※Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Ne versez pas l'huile utilisée pour l'expérience dans l'évier : épongez-la avec du papier avant de la jeter. Ne versez jamais d'huile dans la mer ou une rivière, car cela pollue l'environnement.