Pourquoi les cheveux mouillés cassent-ils plus facilement ?
― L’eau défait les « attaches » à l’intérieur du cheveu
Sec, un cheveu est un fil étonnamment solide : il peut porter le poids d’une demi-pomme. Mouillé, il s’étire autant avec deux fois moins de force, et les écailles de sa surface se soulèvent. Le coupable : l’eau défait temporairement des centaines de millions de minuscules « attaches » à l’intérieur du cheveu.
Vous sortez du bain et passez la brosse dans vos cheveux mouillés. Elle accroche. Vous tirez d’un coup sec : plusieurs cheveux cassés restent dans la brosse.
Les coiffeurs le répètent : « Ne dormez pas les cheveux mouillés », « Ne vous brossez qu’une fois secs ». Pourtant, l’eau n’est que de l’eau. Elle ne dissout pas les cheveux.
Et pourtant, un épi du matin disparaît facilement avec un peu d’eau. Être plus fragile quand on est mouillé, et pouvoir changer de forme quand on est mouillé : ces deux faits viennent en réalité du même mécanisme.
Deux raisons seulement expliquent la fragilité des cheveux mouillés
Dans le cheveu, de longues chaînes de protéines sont reliées entre elles par d’innombrables attaches faibles. Quand l’eau s’infiltre, elles se défont, et le cheveu s’étire autant avec environ moitié moins de force que sec.
La surface du cheveu est faite de fines écailles qui se chevauchent comme les tuiles d’un toit. Quand le cheveu mouillé gonfle, elles se soulèvent et s’arrachent plus facilement au contact de la brosse ou de l’oreiller.
Voyons-les une à une. Dans les deux cas, tout commence par l’eau qui fait gonfler le cheveu.
Raison 1 : l’eau défait les « attaches » entre les chaînes
Le cheveu est fait surtout de kératine, une protéine. Ses chaînes sont enroulées en hélice, comme des ressorts. Deux sortes d’attaches maintiennent cette hélice et relient les chaînes voisines.
Les premières sont fortes : des atomes de soufre solidement liés entre eux. Les secondes sont faibles : elles passent par un atome d’hydrogène. Chacune est fragile, mais elles sont incomparablement plus nombreuses, et assurent une grande part de la rigidité du cheveu sec.
Plongé dans l’eau, le cheveu en absorbe environ 30 % de son poids et gonfle de plus de 10 % en épaisseur. Les molécules d’eau qui s’y infiltrent volent leurs partenaires aux attaches faibles. Les chaînes se relâchent, et le cheveu s’étire peu à peu sous une faible force.
Vérifions avec la figure 1. La rangée du haut montre un cheveu sec, celle du bas un cheveu mouillé, tirés vers la droite avec la même force. Quand on change la force avec le curseur, on voit que le cheveu mouillé s’approche le premier de la ligne pointillée de droite.
À gauche de la ligne pointillée, le cheveu retrouve sa longueur dès qu’on relâche. Au-delà, l’hélice interne commence à se défaire, et un petit surcroît de force provoque un grand allongement. Le cheveu mouillé atteint cette limite avec environ la moitié de la force du cheveu sec.
Quand on tire sur des cheveux emmêlés dans la brosse, la force se concentre sur peu de cheveux. Mouillés, ils sont plus nombreux à être très étirés. La force de rupture elle-même baisse aussi, d’environ 10 à 20 % à l’état mouillé.
Raison 2 : sur le cheveu gonflé, les écailles se soulèvent
L’extérieur du cheveu est formé de fines écailles, les cuticules, empilées de la racine vers la pointe. Elles jouent le rôle d’une armure qui protège l’intérieur plus mou.
Comme le montre la partie gauche de la figure 2, sur un cheveu sec, les écailles sont bien à plat. Quand l’intérieur gonfle sous l’effet de l’eau, leurs bords se soulèvent, comme à droite. Ces bords relevés s’accrochent aux poils de la brosse ou au tissu de l’oreiller, et s’ébrèchent à chaque frottement.
Un cheveu plié pendant le sommeil a ses attaches faibles refaites dans la forme « pliée ». Mouillé, ses attaches se défont, puis se refont dans la forme actuelle pendant le séchage. C’est la forme au moment du séchage qui reste : voilà pourquoi on se coiffe au sèche-cheveux. Les produits de permanente, eux, coupent aussi les attaches fortes avant de les refaire : la forme reste même après le lavage.
En résumé
Les cheveux mouillés cassent facilement parce que l’eau défait les attaches faibles à l’intérieur du cheveu, qui s’étire alors beaucoup avec environ moitié moins de force. De plus, sur le cheveu gonflé, les écailles se soulèvent et s’arrachent plus aisément au frottement. Le plus doux pour les cheveux : les frotter le moins possible quand ils sont mouillés, les démêler peu à peu à partir des pointes avec un peigne à larges dents, et les sécher assez vite.
L’eau ne dissout pas le cheveu.
Elle lui fait seulement lâcher, un instant, les « mains » qui le tiennent ensemble.
Pour comprendre comment les cheveux se renouvellent, lisez « Pourquoi perd-on plus de cheveux en automne ? » ; pour un autre matériau dont les propriétés changent quand on l’étire, lisez « Pourquoi un élastique chauffe-t-il quand on l’étire ? ».
- Procurez-vous deux assez longs cheveux tombés naturellement. Laissez-en un tel quel et plongez l’autre environ 5 minutes dans un verre d’eau.
- Pincez les deux extrémités d’un cheveu entre les doigts de chaque main et tirez lentement avec à peu près la même force. Le cheveu mouillé devrait s’étirer avec une sensation plus « molle ».
- Enroulez le cheveu mouillé autour d’un stylo et laissez-le sécher, puis déroulez-le. Si la forme bouclée subsiste, c’est la preuve que les attaches faibles se sont refaites.
Le résultat varie selon l’épaisseur et l’état du cheveu. Tirer fort peut couper les doigts : procédez lentement, comme avec un fil très fin.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique, chimie ou SVT du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Enseigné à l’université, pas au lycée (résistance des matériaux, physique des polymères, dermatologie)
- RecherchePas encore « établi », même à l’université : étudié actuellement par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Kératine : protéine qui forme les cheveux, les ongles et la surface de la peau. Dans le cheveu, ses chaînes en hélice sont réunies en faisceaux.
- Liaison hydrogène : lien faible passant par un atome d’hydrogène. C’est l’« attache faible » du texte. Les molécules d’eau en forment aussi, d’où leur capacité à voler les partenaires.
- Pont disulfure : lien fort entre deux atomes de soufre. C’est l’« attache forte » du texte, que l’eau ne défait pas.
- Cuticule : fine couche d’écailles qui recouvre la surface du cheveu.
CollègeLycéeVérifier par la formule : à partir de combien de grammes un cheveu sort-il de la « zone de retour » ?
On assimile le cheveu à une fine tige et l’on calcule à partir du lien entre force de traction et allongement. On compare d’abord le poids de rupture, puis le poids qui dépasse la zone de retour élastique (allongement de 2 %), entre cheveu sec et cheveu mouillé. Les unités : la force en N (newtons), les longueurs en mm.
| En symboles | F ＝ E × A × ε （force de rupture F ＝ σ × A, section A ＝ π × r²） |
| En mots | force de traction ＝ rigidité du matériau (module d’Young) × section × proportion d’allongement |
| D’où vient-elle ? | C’est la loi de Hooke des ressorts (« la force est proportionnelle à l’allongement »), réécrite avec la force par unité de section (la contrainte) pour s’appliquer à des tiges d’épaisseurs différentes |
| Diamètre du cheveu (rayon r) | environ 0,08 mm (rayon 0,04 mm) |
| Contrainte de rupture σ (cheveu sec) | environ 200 N/mm² (selon les études, de 150 à 250 environ) |
| Module d’Young E (cheveu sec) | environ 4000 N/mm² (4 GPa) |
| Module d’Young E (cheveu mouillé) | environ la moitié du sec, soit 2000 N/mm² environ |
| Limite approximative du retour élastique ε | jusqu’à environ 2 % d’allongement (0,02) |
| Carré du rayon | 0.04 × 0.04 ＝ 0.0016 mm² |
| Section A | 3.14 × 0.0016 ＝ 0.005024 mm² |
| Force de rupture (cheveu sec) | 200 × 0.005024 ≒ 1.0 N |
| Conversion en poids (1 N correspond à environ 102 grammes) | 1.0 ÷ 9.8 ≒ 0.10 kg |
| Cheveu sec : E × A | 4000 × 0.005024 ≒ 20.1 N |
| Cheveu sec : force pour 2 % d’allongement | 20.1 × 0.02 ≒ 0.40 N |
| Cheveu mouillé : E × A | 2000 × 0.005024 ≒ 10.0 N |
| Cheveu mouillé : force pour 2 % d’allongement | 10.0 × 0.02 ＝ 0.20 N |
| Conversion en poids (cheveu mouillé) | 0.20 ÷ 9.8 ≒ 0.020 kg |
Le cheveu sec casse vers 100 grammes et revient à sa longueur jusqu’à environ 40 grammes. Le cheveu mouillé dépasse la zone de retour dès environ 20 grammes, soit le poids de 20 pièces de 1 yen. C’est une force tout à fait possible sur un seul cheveu quand la brosse s’emmêle.
LycéeLycée+Le cheveu s’étire en « trois zones »
LycéeLa loi de Hooke, où l’allongement d’un ressort est proportionnel à la force, vaut aussi pour le cheveu jusqu’à environ 2 % d’allongement. La grandeur qui exprime la rigidité dans cette zone est le module d’Young (module d’élasticité longitudinal).
Lycée+Si l’on continue de tirer, la relation entre force et allongement se divise, dit-on, en trois zones : une première zone proportionnelle, une « zone de plasticité » où le cheveu s’allonge de 25 à 30 % presque sans que la force augmente, puis une zone où il se raidit de nouveau jusqu’à la rupture. Dans la zone de plasticité, on pense que les chaînes en hélice se déroulent et passent à une forme étirée. L’eau abaisse nettement la force nécessaire pour entrer dans cette zone.
Univ.Courbe contrainte–déformation et plastification par l’eau
En résistance des matériaux, cette relation se trace sous la forme d’une courbe contrainte–déformation. Dans les fibres de kératine, la zone de plasticité s’explique par la « transition α–β » : la kératine α, en hélice, s’étire et passe à une structure en feuillets β. L’eau rompt les liaisons hydrogène entre chaînes et les rend plus mobiles. En physique des polymères, on appelle cela la « plastification », et l’eau est un plastifiant typique du cheveu. Le fait que le module d’Young baisse quand l’humidité augmente s’explique de la même façon.
📖 Dérivation de la formule et suite : Courbe contrainte–déformation (Wikipédia, en japonais) ／ Kératine (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe que l’on ne sait pas encore bien
- Jusqu’où l’eau pénètre-t-elle ? Le cheveu mêle des zones qui laissent bien passer l’eau et d’autres qui la laissent mal passer. Dans quel ordre et jusqu’à quelle profondeur l’eau entre-t-elle ? Selon la méthode de mesure, l’image diffère.
- La façon dont un cheveu abîmé casse. À partir de quel stade de sécheresse et de frottements répétés de petites fissures commencent-elles à s’étendre ? Le mécanisme de rupture par fatigue est encore à l’étude.
- Le rôle des lipides de surface. La surface d’un cheveu sain porterait une fine couche grasse qui repousse l’eau. Dans quelle mesure l’absorption d’eau et la résistance changent-elles une fois cette couche enlevée ? Les recherches se poursuivent.
Cet article est donc lui aussi « une explication dans l’état actuel des connaissances ». Les valeurs du module d’Young et de la résistance, en particulier, varient beaucoup selon l’épaisseur du cheveu, l’origine de la personne, son état et la méthode de mesure.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re partie : « Effets d’une force (allongement d’un ressort) » | Proportionnalité force–allongement (figure 1) |
| Lycée | Chimie « liaison hydrogène », SVT « structure des protéines » | Attaches faibles et attaches fortes (figure 2) |
| Lycée+ | Physique avancée « module d’Young, contrainte » | Calcul de la force dépassant 2 % d’allongement |
| Univ. | Résistance des matériaux, physique des polymères | Courbe contrainte–déformation, transition α–β, plastification |
| Recherche | Science des fibres, dermatologie | Pénétration de l’eau, rupture des cheveux abîmés |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Démêler des cheveux mouillés, effacer un épi, se coiffer au sèche-cheveux |
- C. R. Robbins, Chemical and Physical Behavior of Human Hair, 5th ed., Springer (2012)
- M. Feughelman, Mechanical Properties and Structure of Alpha-Keratin Fibres, UNSW Press (1997)
- Wikipédia japonais, « 水素結合 » (liaison hydrogène)
- Wikipédia japonais, « ケラチン » (kératine)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre les mécanismes. En cas de problème de cheveux ou de cuir chevelu, consultez un dermatologue ou un professionnel de la coiffure.