Pourquoi peut-on boire avec une paille ?
― Ce n'est pas vous qui aspirez, c'est l'atmosphère
Quand on boit avec une paille, on a l'impression d'« aspirer » le liquide avec la force de la bouche. Pourtant, d'un point de vue physique, ce n'est pas la force de votre bouche qui soulève le liquide. Le vrai responsable, c'est le poids de l'air invisible qui nous entoure en permanence : la pression atmosphérique.
Quand vous plongez une paille dans un jus et que vous aspirez fort, le liquide monte dans votre bouche. Cette sensation donne naturellement l'impression que « la bouche tire le liquide vers le haut ».
Pourtant, votre bouche ne possède aucune « main » capable de saisir le liquide et de le tirer. Tout ce qu'elle peut faire, c'est gonfler les poumons pour expulser l'air contenu dans la bouche et la paille.
Alors pourquoi le liquide monte-t-il ?
Quand vous aspirez dans une paille, la pression de l'air à l'intérieur de la paille diminue. Vous ne tirez pas le liquide.
À la surface du liquide dans le verre, la pression atmosphérique appuie en permanence. Dès que la pression baisse dans la paille, cette pression atmosphérique pousse le liquide vers le haut.
Ce n'est pas « tiré », c'est « poussé » ― regardons ce changement de perspective étape par étape.
« Aspirer », c'est en réalité « abaisser la pression »
Quand vous mettez une paille en bouche et que vous aspirez, vous dilatez vos poumons et déplacez vers l'intérieur du corps l'air contenu dans la bouche et la paille. Cette diminution de la quantité d'air fait que la pression dans la paille devient plus basse que la pression atmosphérique environnante.
C'est le point essentiel. La bouche n'entre jamais directement en contact avec le liquide lui-même. Ce qu'elle manipule, c'est uniquement la « pression de l'air » à l'intérieur de la paille.
Ce qui pousse le liquide, c'est la pression atmosphérique extérieure
À la surface du liquide dans le verre s'exerce en permanence une pression due au poids de l'air, que nous ne remarquons jamais au quotidien : la pression atmosphérique. Tant que le liquide subit la même pression atmosphérique dans la paille et à l'extérieur, les forces s'équilibrent et le liquide ne bouge pas.
Mais dès que seule la pression dans la paille diminue, cet équilibre est rompu. La pression atmosphérique qui appuie sur la surface extérieure du liquide devient relativement plus forte, si bien qu'elle pousse le liquide dans la paille. Voilà le véritable mécanisme qui permet de boire avec une paille.
C'est la pression atmosphérique, ce géant invisible, qui pousse à votre place.
La hauteur qu'on peut atteindre avec une paille a en réalité une limite
Ce mécanisme de « poussée par la pression atmosphérique » comporte une limite théorique. Même si l'on parvenait à retirer complètement l'air de la paille pour obtenir une pression nulle (un vide parfait), la hauteur jusqu'à laquelle la pression atmosphérique peut pousser le liquide a un plafond. C'est parce que la « force de poussée » de la pression atmosphérique a elle-même une valeur fixe.
Au XVIIe siècle, le savant italien Torricelli a mis en évidence cette limite en observant que, lorsqu'on pompe de l'eau, celle-ci refuse de monter au-delà d'une certaine hauteur. Voyons concrètement à quelle hauteur cela correspond, avec des chiffres, dans le volet déroulant suivant.
Cette hauteur limite est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à la longueur d'une paille ordinaire. Dans la vie quotidienne, quand vous utilisez une paille, vous n'avez absolument pas besoin d'y penser. En revanche, quand il s'agit de pomper de l'eau jusqu'à une très grande hauteur, cette limite peut devenir une véritable contrainte de conception.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Remplissez un verre d'eau et enfoncez la paille profondément
- Bouchez fermement l'extrémité haute de la paille avec un doigt, puis sortez la paille du verre en gardant le doigt en place
- Vérifiez que, tant que le doigt bouche l'ouverture, l'eau reste dans la paille sans couler
- Vérifiez aussi qu'à l'instant où vous retirez le doigt, l'eau s'écoule de la paille
Tant que le doigt bouche l'ouverture, la pression de l'air emprisonné sous l'eau, dans la paille, s'équilibre avec la pression atmosphérique extérieure et retient l'eau. Quand vous retirez le doigt, cet équilibre est rompu : l'air est poussé par en dessous par la pression atmosphérique, et l'eau tombe.
En résumé
Si l'on peut boire avec une paille, ce n'est pas parce que la force de la bouche tire directement le liquide. En aspirant l'air contenu dans la paille, la pression à l'intérieur baisse, la pression atmosphérique extérieure devient relativement plus forte, et c'est elle qui pousse le liquide vers le haut. Ce mécanisme de « poussée par la pression atmosphérique » a une hauteur limite théorique, mais avec une paille ordinaire, on en est extrêmement loin.
Quand vous buvez avec une paille, ce n'est pas vous qui fournissez la force.
Vous créez seulement une petite « ouverture » dans l'immense force de l'atmosphère.
Pour un autre exemple où la même pression atmosphérique agit en sens inverse, voyez aussi pourquoi l'eau d'une bouteille retournée s'écoule par saccades. Cette fois, c'est l'atmosphère qui retient l'eau.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, chiffres et liens avec les manuels scolairesDu collège aux sujets encore à l'étude, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale » du lycée
- Lycée+Programme de « physique » du lycée, ou contenu approfondi/encadré du manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (mécanique des fluides)
- RechercheSujet qui, même à l'université, n'est pas enseigné comme une vérité établie, mais fait encore l'objet de recherches
CollègeVocabulaire : les mots autour de la paille
- Pression (atmosphérique) : pression exercée tout autour, due au poids de l'air.
- Vide : espace où l'air (le gaz) est quasiment absent.
- Écart de pression : différence de pression entre deux endroits.
LycéeVérification par le calcul : jusqu'à quelle hauteur la pression atmosphérique peut-elle pousser l'eau ?
À partir de la valeur de la pression atmosphérique, calculons la hauteur limite théorique jusqu'à laquelle l'eau peut être poussée.
Hauteur limite = pression atmosphérique ÷ (densité de l'eau × accélération gravitationnelle)
| Pression atmosphérique | environ 101325 Pa (pascals) |
| Densité de l'eau | 1000 kg/m³ |
| Accélération gravitationnelle | environ 9,8 m/s² |
Cette formule calcule la hauteur à laquelle la pression due au poids de la colonne d'eau soulevée équilibre exactement la pression atmosphérique.
| Densité de l'eau × accélération gravitationnelle | 1000 × 9,8 = 9800 |
| Pression atmosphérique ÷ (densité×gravité) | 101325 ÷ 9800 ≒ 10,34 |
| Hauteur limite | environ 10,34 m |
Théoriquement, la hauteur limite jusqu'à laquelle la seule pression atmosphérique peut pousser l'eau est d'environ 10,34 mètres, ce qui correspond à peu près à un immeuble de 3 ou 4 étages.
Comparons cela à la longueur d'une paille ordinaire (une valeur typique : 20 cm, soit 0,2 m).
| Rapport entre la hauteur limite et la paille | 10,34 ÷ 0,2 ≒ 51,7 |
| Rapport entre la hauteur limite et la paille | environ 51,7 fois |
La longueur d'une paille ordinaire ne représente qu'environ un cinquantième de cette limite théorique. C'est justement pour cela que nous pouvons profiter d'une boisson à la paille sans jamais y penser.
※ La pression atmosphérique varie légèrement selon le lieu et la météo ; les valeurs indiquées ici sont des ordres de grandeur représentatifs.
Lycée+Le vide de Torricelli et l'expérience au mercure
En 1643, Torricelli a réalisé une expérience consistant à remplir de mercure un long tube fermé à une extrémité, puis à retourner son ouverture dans un récipient rempli de mercure. Le mercure contenu dans le tube est alors descendu jusqu'à s'arrêter à une certaine hauteur (environ 76 cm dans les unités actuelles), laissant un espace vide en haut du tube. Comme le mercure est bien plus dense que l'eau, pour une même pression atmosphérique, la hauteur qu'il peut atteindre est bien plus faible que celle de l'eau. Cette expérience est connue comme la première démonstration quantitative du concept de pression atmosphérique.
UniversitéDifférence avec le « principe du siphon » en mécanique des fluides
Un phénomène proche de celui de la paille est le siphon, qui permet de faire passer un liquide d'un point haut vers un point bas à l'aide d'un tube. Le principe du siphon est lui aussi lié à la pression atmosphérique, mais c'est la différence de pression due au poids propre du liquide qui constitue le principal moteur de l'écoulement, ce qui diffère du mécanisme de la paille. En mécanique des fluides, on considère que le mouvement d'un liquide résulte de la combinaison de plusieurs facteurs : pression, gravité, viscosité, etc.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Dans les domaines du diagnostic médical et de l'analyse chimique, des recherches sont menées sur la microfluidique, une technologie qui manipule avec précision de très faibles volumes de liquide à l'aide de canaux microscopiques (microcanaux). On étudie comment appliquer le même principe que celui de la paille ― déplacer un liquide grâce à un écart de pression ― à une échelle beaucoup plus petite et avec un contrôle beaucoup plus fin.
- On s'est longtemps demandé par quel mécanisme la langue de certains animaux, comme les colibris, qui aspirent le nectar des fleurs, transporte réellement ce nectar. On a longtemps pensé que la « capillarité » seule suffisait à l'expliquer, mais des recherches récentes suggèrent qu'un mécanisme hydrodynamique plus complexe, non réductible à la seule capillarité, pourrait être en jeu, et les études se poursuivent.
La physique de la pression atmosphérique cachée derrière une simple paille rejoint aussi bien le fonctionnement du corps des êtres vivants que les technologies médicales de pointe.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― gaz et pression | Vocabulaire de base : pression, vide, écart de pression |
| Lycée | Physique fondamentale ― pression et équilibre des forces | Calcul de la hauteur limite à partir de la pression atmosphérique |
| Lycée+ | Physique ― histoire de la pression des gaz | L'expérience du vide de Torricelli |
| Université | Mécanique des fluides | Différence avec le principe du siphon |
| Recherche | Microfluidique / biomécanique des fluides (en cours d'étude) | Technologies de contrôle des microcanaux, recherches sur les mécanismes de succion des animaux |
- Explications sur la pression atmosphérique et le principe de Pascal dans les manuels de physique fondamentale.
- Documents d'histoire des sciences relatifs à l'expérience du vide de Torricelli.
- Explications sur le principe du siphon dans les manuels de mécanique des fluides.
- Revue de recherche sur les technologies de manipulation de liquides par microcanaux, dans le domaine de la microfluidique.
- Revue de recherche sur le mécanisme de succion du nectar chez les colibris, dans le domaine de la biomécanique des fluides.
※ Les valeurs de pression atmosphérique et de densité sont des ordres de grandeur représentatifs ; les valeurs réelles varient selon les conditions environnementales.
※ Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour les précautions à prendre en buvant (risque de fausse route, etc.), consultez si besoin les informations d'un établissement médical.