Pourquoi le liquide coule le long de la théière quand on verse lentement ?
― Ce n'est pas l'eau qui se courbe, mais le bord du bec verseur
La même théière verse proprement si l'on y va franchement, mais coule le long de l'extérieur si l'on verse tout doucement. Cette différence tient à un petit « bord » situé à la pointe du bec verseur. Le liquide le contourne, ou bien le franchit d'un bond. La frontière entre les deux dépend de la vitesse de versement.
Vous versez du thé d'une théière dans une tasse. Au moment de récupérer la toute dernière goutte, vous retirez doucement la main. Le thé ne tombe pas dans la tasse : il coule le long du dessous du bec, longe le ventre de la théière et laisse un petit cercle sur la table.
La même chose arrive avec une brique de lait. Si l'on l'incline avec prudence, ça coule. Si l'on l'incline franchement, ça ne coule pas.
Autrement dit, ce n'est pas seulement la qualité de l'ustensile qui décide si ça va couler ou non.
Deux raisons principales expliquent cela
L'eau cherche à adhérer à la surface du verre ou de la céramique. Si la pointe du bec est arrondie, le liquide suit cette courbure et contourne complètement le bec jusqu'à l'envers.
Plus l'écoulement est rapide, plus sa tendance à continuer en ligne droite, sans se courber, devient forte. Quand cette tendance l'emporte sur la force d'adhérence, le liquide quitte la surface au niveau du bord, et tombe directement.
Ces deux forces se livrent en permanence un bras de fer, dans le tout petit espace de la pointe du bec verseur. Celle qui gagne détermine si ça coule ou non. Voyons cela en détail.
① Le liquide cherche à contourner le bord
Les molécules d'eau s'attirent entre elles. Elles s'attirent aussi avec la surface du verre ou de la céramique. Cette « tendance à adhérer à une surface » s'appelle la mouillabilité.
Même fabriquée aussi fine que possible, la pointe d'un bec verseur reste arrondie si on l'agrandit. Le liquide change de direction en suivant cette courbure, et se retrouve, sans qu'on s'en aperçoive, à contourner l'envers du bec. Une fois de l'autre côté, il n'a plus qu'à couler le long du corps de l'objet, entraîné par son propre poids.
Regardez la figure 1. À gauche, on verse lentement : le liquide contourne le bord arrondie de la pointe et coule le long de l'extérieur. À droite, on verse vivement : le liquide quitte la surface au niveau du bord et tombe tout droit.
② C'est la vitesse de versement qui fixe la frontière
Pourquoi donc un versement rapide empêche-t-il le liquide de couler le long du bec ? Un liquide en mouvement a tendance à poursuivre sa trajectoire. Plus il va vite, plus cette tendance est forte.
À l'inverse, la force qui retient le liquide contre la surface varie très peu avec la vitesse. Donc, à mesure que la vitesse augmente, il arrive un moment où la tendance à continuer tout droit l'emporte. À cet instant précis, le liquide abandonne le bord et jaillit.
Le calcul figure dans le volet dépliable ci-dessous, mais pour l'eau, cette frontière se situe environ entre 20 et 30 centimètres par seconde. C'est justement la vitesse que l'on adopte, dans la vie courante, quand on a l'impression de « verser tout doucement ». Ce n'est donc pas un hasard si ça coule si facilement.
Plus le bord est peu arrondi, plus le liquide doit se courber brusquement, ce qui rend le contournement plus difficile. C'est pourquoi les becs verseurs bien conçus sont fabriqués fins. À l'inverse, un récipient à bord épais, ou un bord ébréché devenu arrondi, coulera plus facilement.
Si le bord repousse l'eau, le liquide ne peut plus le contourner. Une expérience publiée en 2010 rapporte qu'en appliquant sur le bord du bec verseur un traitement hydrophobe puissant, même un versement lent ne coulait plus le long du bec. Ce résultat montre que la « mouillabilité » est bien la véritable cause de cet écoulement. C'est l'envers de la même propriété que celle décrite dans le mécanisme qui rend les plumes des oiseaux aquatiques imperméables.
En résumé
Si le liquide coule le long du bec verseur, ce n'est pas la faute du récipient. Le liquide reste simplement collé à la courbure de la pointe en la contournant. Verser vite le fait franchir le bord ; verser lentement le fait le contourner. C'est un petit bras de fer qui se joue chaque jour dans nos mains.
Si ça coule, ce n'est pas parce que vous versez mal.
C'est simplement que le liquide ne veut pas lâcher le bord.
Le rôle de la pression atmosphérique dans le mouvement des liquides est expliqué dans pourquoi on peut boire avec une paille. La lutte entre l'eau et l'air à la sortie d'un récipient est abordée dans pourquoi une bouteille en plastique fait « glouglou ». Quant à l'anneau que laisse un liquide renversé une fois sec, voyez pourquoi les taches de café forment un anneau.
- Remplissez un verre d'eau à moitié et inclinez-le très lentement par le bord. L'eau devrait couler le long de l'extérieur du verre.
- Avec le même verre, inclinez-le cette fois d'un coup. L'eau se détache du bord et tombe en un seul jet.
- Essuyez bien l'extérieur du bord avec un chiffon sec, enduisez-le d'une fine couche d'huile alimentaire, puis inclinez-le à nouveau lentement. La façon dont ça coule change.
Réalisez cette expérience au-dessus d'un évier. Lavez le verre huilé au produit vaisselle avant de le réutiliser.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègenotions vues en sciences au collège
- Lycéenotions vues en « physique fondamentale » au lycée
- Lycée+notions avancées du lycée, ou encadré complémentaire du manuel
- Universiténotions non vues au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (mécanique des fluides)
- Recherchesujets qui, même à l'université, ne sont pas encore enseignés comme des acquis établis, et que les chercheurs étudient actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Effet théière : le phénomène par lequel l'écoulement issu du bec verseur contourne la pointe et coule le long de l'extérieur du récipient. Il fait l'objet d'études en physique depuis les années 1950.
- Mouillabilité : le degré auquel un liquide tend à s'étaler sur une surface solide. Une surface facile à mouiller est dite hydrophile ; une surface qui repousse l'eau est dite hydrophobe.
- Tension superficielle : la tendance d'un liquide à minimiser l'aire de sa surface. C'est aussi pour cette raison que les gouttes d'eau prennent une forme ronde.
- Décollement : le fait, pour un écoulement, de se détacher de la surface qu'il suivait jusque-là. C'est exactement ce qui se produit à l'instant où le liquide jaillit au niveau du bord.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à partir de quelle vitesse l'écoulement ne coule-t-il plus ?
On compare la tendance à continuer tout droit et la tension superficielle qui retient le liquide contre la surface, pour voir laquelle des deux domine. La vitesse à laquelle ces deux forces s'équilibrent donne un ordre de grandeur de la frontière entre « ça coule » et « ça ne coule pas ». Les unités sont uniformisées : le mètre pour la longueur, le kilogramme pour la masse, la seconde pour le temps.
| Symbole | Signification et unité |
|---|---|
| ρ | Masse volumique du liquide. Masse par mètre cube (kilogramme par mètre cube) |
| γ | Tension superficielle. Force de traction par mètre de surface (newton par mètre) |
| r | Rayon de courbure du bord du bec verseur (mètre) |
| v | Vitesse de l'écoulement à la sortie du bec verseur (mètre par seconde) |
| Masse volumique de l'eau ρ | 1000 (kilogramme par mètre cube) |
| Tension superficielle de l'eau γ (20 °C) | 0,072 (newton par mètre), valeur usuelle |
| Rayon de courbure du bord r | 0,001 (mètre, soit 1 mm) |
| On multiplie d'abord la masse volumique par le rayon | 1000 × 0,001 ＝ 1 |
| On divise la tension superficielle par ce résultat | 0,072 ÷ 1 ＝ 0,072 |
| La racine carrée donne la vitesse frontière | la racine carrée de 0,072 vaut environ 0,27 |
| Conversion en centimètres | 0,27 × 100 ＝ 27 |
On obtient une frontière d'environ 27 centimètres par seconde. C'est une vitesse très douce, comparable à celle avec laquelle on vide un verre en quelques secondes. Autrement dit, plus on cherche à verser avec soin, plus on tombe en dessous de cette frontière.
LycéeLycée+Pourquoi le « rayon de courbure » joue-t-il un rôle ?
LycéeUn objet qui suit une trajectoire courbe a besoin d'une force dirigée vers le centre du cercle. Plus le rayon est petit, plus cette force nécessaire est grande, à vitesse égale. C'est exactement le même principe qui s'applique quand le liquide contourne le bord.
Lycée+Ce sont la tension superficielle et l'attraction vers la surface qui assurent le contournement du bord. Comme la force nécessaire augmente fortement quand le rayon de courbure diminue, un bord fin rend le contournement plus difficile. La vitesse frontière diminue donc à mesure que le rayon diminue.
UniversitéCouche limite et effet de mouillage
En mécanique des fluides, on considère qu'une fine couche à écoulement ralenti se forme près d'une surface solide : on l'appelle la couche limite. Ce phénomène a longtemps été expliqué uniquement par la difficulté de cette couche limite à se détacher de la surface. Mais cette explication ne rend pas compte du fait qu'un traitement hydrophobe suffit à arrêter l'écoulement le long du bec. Ces dernières années, on privilégie plutôt une explication où la tension superficielle et l'inertie de l'écoulement s'affrontent directement au voisinage du bord.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Prédiction précise de la vitesse frontière. On ne sait pas encore prédire, par une seule formule, à partir du rayon du bord, de la mouillabilité et du débit, la condition exacte à partir de laquelle l'écoulement commence à couler le long du bec.
- Effet des micro-défauts du bord. On comprend mal dans quelle mesure des ébréchures ou des salissures invisibles à l'œil nu influencent réellement la tendance à couler.
- Durabilité des traitements hydrophobes. La capacité d'un bec verseur traité à conserver son efficacité après des lavages répétés et le passage d'eau bouillante reste un problème pratique non résolu.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète simplement « ce que l'on comprend à ce jour ». Les phénomènes les plus familiers sont souvent, curieusement, réexaminés bien plus tard que les autres.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1ère partie／action des forces, états de la matière | Le liquide qui adhère à une surface |
| Lycée | Physique fondamentale／mouvement et force, notion de mouvement circulaire | Il faut une force pour courber une trajectoire |
| Lycée+ | Physique／tension superficielle, encadré complémentaire | Pourquoi le rayon de courbure joue un rôle |
| Université | Mécanique des fluides／couche limite et décollement | Couche limite et effet de mouillage |
| Recherche | Science des interfaces／mouillage et ligne de contact mobile | Ce qui reste encore mal compris |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Comment verser avec une théière, une bouilloire, une brique de lait |
- Markus Reiner, "The Teapot Effect ... a Problem", Physics Today 9, 9 (1956)
- Joseph B. Keller, "Teapot Effect", Journal of Applied Physics 28, 859 (1957)
- Cyril Duez, Christophe Ybert, Christophe Clanet, Lyderic Bocquet, "Wetting Controls Separation of Inertial Flows from Solid Surfaces", Physical Review Letters 104, 084503 (2010)
- De Gennes, Brochard-Wyart, Quéré, « Gouttes, bulles, perles et ondes » (吉岡書店, édition japonaise citée en source)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs numériques données sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène. Ne réalisez pas les expériences avec un liquide chaud ; utilisez toujours de l'eau froide.