Pourquoi les bulles de savon sont-elles irisées ?
― Une autre mécanique que l'arc-en-ciel
À la surface d'une bulle de savon apparaissent des motifs irisés qui ondulent, un peu comme une tache d'huile flottant sur l'eau. On pourrait croire que « la bulle de savon, c'est une sorte d'arc-en-ciel ». En réalité, sa couleur naît d'un mécanisme totalement différent de celui de l'arc-en-ciel dans le ciel. L'arc-en-ciel colore la lumière en la « séparant » ; la bulle de savon la colore en la faisant « se superposer ».
Quand on souffle une bulle de savon, des motifs colorés, comme un arc-en-ciel, apparaissent à sa surface. Comme on y voit s'aligner du rouge, du vert, du violet, tout comme dans l'arc-en-ciel du ciel, on est tenté de penser qu'il s'agit du même phénomène.
Mais en observant bien les couleurs d'une bulle de savon, on remarque une différence décisive avec l'arc-en-ciel du ciel. L'arc-en-ciel est un ruban de forme fixe, où les couleurs s'alignent toujours dans le même ordre. Les couleurs de la bulle de savon, elles, changent continuellement, comme un tourbillon, à chaque frémissement du film.
Cette différence montre que le principe même de formation des couleurs est fondamentalement distinct.
Dans une goutte de pluie, la lumière se réfracte selon un angle différent pour chaque couleur, et se sépare (se disperse) : c'est ainsi que naissent les couleurs de l'arc-en-ciel.
La lumière réfléchie sur la face avant et la face arrière du film de la bulle se superpose (interfère), et seules les couleurs qui se renforcent deviennent visibles.
« Couleur née de la séparation » et « couleur née de la superposition » ― voyons cette différence pas à pas.
L'arc-en-ciel, c'est la « dispersion » ; la bulle de savon, c'est l'« interférence »
Comme expliqué en détail dans un autre article, l'arc-en-ciel naît du fait que l'angle de réfraction de la lumière dans une goutte de pluie varie légèrement selon la couleur (la longueur d'onde). On appelle cela la dispersion. Le mécanisme de l'arc-en-ciel, c'est un seul rayon de lumière blanche qui « se sépare » en plusieurs rayons de couleurs différentes.
La couleur des bulles de savon, c'est tout autre chose. Le film d'une bulle de savon est un film d'eau savonneuse d'une finesse extrême, proche de la longueur d'onde de la lumière visible. Quand la lumière frappe ce film, une partie rebondit sur la face avant, et le reste traverse le film pour rebondir une seconde fois sur la face arrière.
Quand cette « lumière réfléchie en surface » et cette « lumière réfléchie à l'arrière » se superposent en se propageant dans la même direction, les crêtes des ondes s'ajoutent et se renforcent quand elles coïncident, et s'annulent quand une crête rencontre un creux. C'est ce qu'on appelle l'interférence lumineuse.
La bulle de savon naît de la lumière qui « se superpose ».
L'épaisseur du film détermine la couleur visible
La couleur qui se renforce dépend de l'épaisseur du film. Là où le film est un peu plus épais, une couleur (le bleu, par exemple) se renforce ; là où il est un peu plus fin, c'est une autre couleur (le rouge, par exemple) qui se renforce.
Le film d'une bulle de savon s'écoule peu à peu vers le bas sous l'effet de la gravité, et son épaisseur varie donc selon les endroits. C'est pourquoi des motifs colorés, correspondant aux différences d'épaisseur, apparaissent à la surface du film comme des tourbillons. Quand le film ondule, la répartition de l'épaisseur change aussi, si bien que les motifs colorés changent continuellement. Voilà pourquoi, contrairement à l'arc-en-ciel du ciel, les couleurs d'une bulle de savon semblent toujours en mouvement.
Juste avant d'éclater, la bulle devient « noire et transparente »
Juste avant qu'une bulle de savon n'éclate, il arrive qu'une partie du film, ne réfléchissant presque plus la lumière ambiante, devienne noirâtre. Cela se produirait parce que le film devient beaucoup plus fin que la longueur d'onde de la lumière, si bien que les réflexions avant et arrière s'annulent presque totalement. Autrement dit, ce n'est pas que la couleur disparaît, c'est que toutes les couleurs s'annulent en même temps, ce qui donne cette apparence noire.
À vérifier soi-même
- Faire une bulle de savon avec de l'eau savonneuse (ou tendre un film de liquide à bulles dans un anneau), en cherchant à la garder intacte le plus longtemps possible
- Dans un endroit lumineux, observer les motifs colorés à la surface du film pendant plusieurs dizaines de secondes
- Vérifier que les motifs colorés se déplacent peu à peu, comme un tourbillon
- Juste avant l'éclatement, chercher si une partie apparaît noirâtre
Le mouvement des motifs colorés est la preuve que l'épaisseur du film change continuellement dans le temps. C'est un phénomène qu'on ne peut absolument jamais observer dans l'arc-en-ciel du ciel.
En résumé
L'irisation des bulles de savon ressemble à l'arc-en-ciel du ciel, mais naît d'un mécanisme totalement différent. L'arc-en-ciel, c'est la « dispersion » : la lumière se sépare selon les couleurs. La bulle de savon, c'est l'« interférence » : la lumière réfléchie sur les deux faces du film se superpose. Comme l'épaisseur du film change sans cesse, les motifs de la bulle de savon sont perpétuellement en mouvement.
La bulle de savon n'est pas un petit arc-en-ciel.
C'est un tout autre art, né de la superposition de la lumière sur elle-même.
Créer des couleurs par simple interférence, sans aucun pigment, est un phénomène qu'on retrouve ailleurs. La raison pour laquelle l'opale scintille de mille couleurs est expliquée dans cet article.
Pour aller plus loin ― termes, valeurs numériques, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets encore en recherche, chaque niveau est clairement indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique du lycée
- Lycée+Programme de physique du lycée, ou contenu approfondi / encadré du manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée ; relève d'une matière spécialisée universitaire (optique)
- RecherchePas encore établi comme « fait acquis » même à l'université ; sujet actuellement à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots autour de la couleur des bulles de savon
- Dispersion : phénomène par lequel la lumière se réfracte selon un angle différent pour chaque couleur (longueur d'onde) et se sépare. C'est le mécanisme de l'arc-en-ciel.
- Interférence : phénomène par lequel plusieurs ondes se superposent, se renforçant ou s'annulant mutuellement.
- Film mince : film d'une finesse extrême, proche de la longueur d'onde de la lumière.
LycéeVérification par le calcul : à quel point le film d'une bulle de savon est-il fin ?
Calculons concrètement l'épaisseur de film nécessaire pour qu'une couleur (longueur d'onde) donnée se renforce.
Épaisseur du film × indice de réfraction × 2 = (ordre de renforcement + 0,5) × longueur d'onde
| Épaisseur du film | en nm (nanomètre, un milliardième de mètre) |
| Indice de réfraction | pour un film de savon, on retient une valeur proche de l'eau, environ 1,33 |
| Ordre de renforcement | nombre entier 0, 1, 2… Le cas le plus fin correspond à 0 |
| Longueur d'onde | valeur correspondant à la couleur de la lumière, en nm |
Le « + 0,5 » de la formule vient du fait que la réflexion en surface et la réflexion en face arrière décalent d'une demi-longueur d'onde la position des crêtes et des creux de l'onde lumineuse. Ce point est détaillé dans la section Lycée+.
Calculons l'épaisseur pour laquelle la lumière verte se renforce, dans le cas le plus fin (ordre 0).
| Indice de réfraction × 2 | 1,33 × 4 = 5,32 |
| Longueur d'onde ÷ (indice×2) | 550 ÷ 5,32 ≒ 103,4 |
| Épaisseur du film (cas le plus fin) | environ 103,4 nm |
1 nm (nanomètre) vaut un milliardième de mètre. On voit que l'interférence dans le vert apparaît déjà pour une finesse inimaginable, environ un millième de l'épaisseur d'un cheveu.
En augmentant l'ordre d'une unité, la même couleur se renforce aussi pour une autre épaisseur.
| Membre de droite pour l'ordre 1 | 1,5 × 550 = 825 |
| Épaisseur du film (ordre 1) | 825 ÷ 2,66 ≒ 310,2 |
| Épaisseur du film (ordre 1) | environ 310,2 nm |
On voit ainsi que le vert peut se renforcer pour plusieurs épaisseurs, environ 103 nm et environ 310 nm. Comme l'épaisseur du film varie légèrement d'un endroit à l'autre, toutes sortes de motifs colorés apparaissent à la surface de la bulle de savon.
※ Dans une véritable bulle de savon, l'épaisseur du film varie selon l'endroit et le temps ; les valeurs données ici illustrent seulement une condition de renforcement pour une couleur donnée.
Lycée+Pourquoi ce « + 0,5 » est-il nécessaire ?
Lorsque la lumière se réfléchit à la frontière entre un milieu de faible indice de réfraction et un milieu d'indice plus élevé, la phase de l'onde se décale d'une demi-longueur d'onde. Dans le cas du film d'une bulle de savon, ce décalage se produit à la réflexion en surface (air → eau savonneuse), mais pas à la réflexion en face arrière (eau savonneuse → air). C'est pour prendre en compte ce décalage qui n'affecte qu'une seule des deux réflexions que le terme « + 0,5 » est nécessaire dans la formule.
UniversitéL'interférence en film mince, une technologie du quotidien
Le principe de l'interférence en film mince est aussi appliqué aux traitements anti-reflets des objectifs d'appareils photo et des lunettes. En ajustant précisément l'épaisseur du film, on peut annuler la réflexion d'une longueur d'onde donnée et augmenter la quantité de lumière qui traverse la lentille. On pense également qu'un principe proche de l'interférence en film mince intervient dans les « couleurs structurales », produites non par des pigments mais par des microstructures, comme sur les ailes du morpho bleu ou celles du paon.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Pourquoi le film d'une bulle de savon reste-t-il stable pendant un certain temps avant de s'amincir et d'éclater ? Ce processus de drainage et d'amincissement du film est un sujet toujours à l'étude en physique de la matière molle. On pense que de subtiles variations de tension superficielle du film (un phénomène appelé effet Marangoni) y sont impliquées, mais établir un modèle de prédiction précis reste difficile.
- Des recherches se poursuivent aussi pour reproduire artificiellement les couleurs structurales de façon plus stable. Comme elles permettent d'obtenir des couleurs vives sans aucun pigment, elles sont considérées comme une technique de coloration à faible impact environnemental, mais des défis subsistent, notamment sur la durabilité, avant toute application concrète.
- Prédire avec précision, au niveau moléculaire, comment le type de détergent ou d'additif modifie la durée de vie du film d'une bulle de savon reste également un sujet de recherche en science des interfaces.
Même le comportement, en apparence si familier, d'une simple bulle de savon ouvre sur le monde profond, encore en cours d'exploration, de la physique des films minces.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / Chapitre | Passage correspondant |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, propriétés de la lumière | Vocabulaire de base : dispersion, interférence, film mince |
| Lycée | Physique, interférence des ondes | Calcul de l'épaisseur du film à partir de la formule d'interférence en film mince |
| Lycée+ | Physique, réflexion et phase des ondes | Le décalage de phase à la réflexion (signification du « + 0,5 ») |
| Université | Optique, science des matériaux | Traitements anti-reflets, couleurs structurales |
| Recherche | Physique de la matière molle (en cours) | Drainage et stabilité du film mince, reproduction artificielle des couleurs structurales |
- Explications sur l'interférence en film mince (interférence lumineuse) dans les manuels de physique.
- Explications sur le décalage de phase à la réflexion et les traitements anti-reflets dans les manuels d'optique.
- Explications sur le drainage et la stabilité des films de savon (effet Marangoni) dans la littérature de recherche en physique de la matière molle.
- Revue de recherche sur les couleurs structurales (coloration par microstructures, comme sur les ailes du morpho bleu).
- Explications sur les tensioactifs et la stabilité des films dans les manuels de science des interfaces.
※ Les valeurs d'indice de réfraction, de longueur d'onde et d'épaisseur de film sont des ordres de grandeur représentatifs. L'épaisseur réelle du film d'une bulle de savon et son apparence colorée varient selon les conditions d'observation.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. En jouant avec des bulles de savon, veillez à ne pas avaler le liquide ni à en mettre dans les yeux, et consultez les précautions d'usage indiquées sur le produit.