Unegoutte est une petite quantité deliquide où latension de surface est importante. La plus petite gouttelette d'eau analysée qui comporte le nombre de 3 × 1020 molécules d'eau reste une superstructure géante à l'échelle de la molécule.
Il existe une très grande diversité de forme de goutte (sphérique, en larme, etc.). Ce sont lesforces en présence (poids, tension de surface, inertie ou friction visqueuse pour une goutte en mouvement) qui en déterminent la forme.
Forme d’une goutte déposée sur un solide en fonction de sa taille (comparée à la longueur capillaire.
Une goutte statique sur un solide peut être décrite de la même manière qu’une goutte dans l’air. Si elle est assez petite, la force principale qui détermine sa forme est latension de surface. Ainsi, l’angle de contact avec lequel la goutte repose sur le solide ou condition demouillage est décrit par le modèle de Young qui équilibre les tensions de surface. L’angle de contact à l'équilibre en soi est physiquement difficile à mesurer. Une façon d'acquérir l'angle de contact à l'équilibre, est à travers sa relation (son lien) avec les angles de contact avançant () et reculant () qui quant à eux peuvent être mesurés facilement. Finalement, la goutte aura donc une forme de calotte sphérique (voir figure ci-contre).
Si la goutte d’eau est plus grande, typiquement d’une taille supérieure à lalongueur capillaire, celle-ci est aplatie par la gravité et devient une flaque (voir figure ci-contre).
Évolution d'une goutte d'eau partant d'unestalactite
Lorsqu’une goutte est en mouvement, par exemple dans l'air, sa forme est beaucoup plus compliquée. Ainsi, une goutte qui tombe d’un robinet (ou d'une stalactite comme ci-contre) prendra, au moins temporairement, une forme delarme (voir également l'image du ballon de latex plein d'eau dans la galerie ci-dessous) avant de se détacher et de prendre une forme sphérique.
Dès lors qu'elles sont suffisamment grosses, les gouttes de pluie ne peuvent conserver cette forme sphérique du fait des efforts aérodynamiques qui naissent de leur vitesse de chute (d'autant plus forte qu'elles sont grosses). Parfois ces efforts aérodynamiques secouent tellement les gouttes (spécialement en air agité) qu'elles prennent dubalourd et en arrivent à se scinder (en forme d'haltère) puis à éclater (les deuxmasses de l'haltère se séparant l'une de l'autre par disparition de labarre qui les relie).
Déformation des gouttes du fait de leur vitesse.Éclatement d'une goutte de pluie sous l'effet des efforts aérodynamiques dus à sa vitesse de chute, impression d'artiste, d'après Matthews and Mason, relayés par Pruppacher et Klett, et d'après Lane.
Dans un autre cas typique, les efforts aérodynamiques aplatissent les gouttes et les creusent en leurpoint d'arrêt (animation ci-contre à gauche)[2],[3]). Pour les plus grosses gouttes, lorsqu'elles chutent en air calme, ces mêmes efforts aérodynamiques leur donnent bientôt une forme d'ombrelle puis d'un sac entraîné vers le bas par un anneau contenant le gros du volume d'eau. Le sac explose enfin en une multitude de petites gouttes, ainsi que l'anneau qui forme des gouttes plus grosses (animation ci-contre à droite)[4]. Ces phénomènes d'éclatement expliquent qu'il n'existe pas de gouttes de pluie de diamètre supérieur à 6 mm (certaines sources indiquant même 4,5 mm[2]). D'après Pruppacher and Klett, le diamètre équivalent maximal possible d'une goutte de pluie est atteint pour unnombre de Weber d'approximativement 10, ce nombre de Weber étant bien sûr basé sur le diamètre équivalent maximum de la goutte[2].
Ce même phénomène ne se produit pas pour les gouttes les plus petites (en dessous de 1 ou 2 mm de diamètre) et l'on peut considérer que ces petites gouttes (brouillards et bruines) sont encore sphériques.
Très grosse goutte d'eau photographiée dans l'espace.
Comme le montre l'image de droite captée dans la navette spatiale, en l'absence d'efforts aérodynamiques les gouttes d'eau peuvent atteindre de très forts volumes. Elles sont globalement sphériques mais sont temporairement l'objet de fortes vibrations (ou balourds) dues à la façon dont elles ont été créées (voir cette image où le balourd a cessé et où lagoutte est redevenue sphérique).
Une goutte ruisselant sur une vitre pourra prendre des formes très différentes. À très faible vitesse, elle se déforme à cause del’hystérèse de l’angle de contact. À très grande vitesse, la goutte pourra elle aussi se déformer et prendre la forme d’une larme voire déposer des gouttelettes derrière elle.
Le paradis des gouttes (et de leurs applications) se situe très probablement dans lesémulsions. En effet une émulsion est une solution liquide ou gazeuse contenant des microgouttelettes en suspension. Les exemples les plus courants d’émulsions sont les nuages ou lebrouillard (suspension de gouttelettes d’eau dans l’air), lamayonnaise et les crèmes (suspension de gouttelettes d’huile dans une phase aqueuse), et toute forme de mousse (gouttelettes d’air dans une phase liquide) comme dans lacrème chantilly, le bain moussant.
Des gouttelettes sont utilisées comme micro-réacteurchimique oubiochimique et des méthodes sont développées pour couper des gouttes, en mélanger le contenu, y contrôler une cristallisation ou une réaction chimique, etc.
↑On peut observer sur legraphe classique donnant le Cx des sphères lisses en fonction dunombre de Reynolds que la courbeBrouillard et pluie se sépare de la courbe rouge des sphères rigides autour du diamètre 2 mm ; ceci est dû à la déformation des gouttes sous l'effet des efforts aérodynamiques.
↑ab etcMICROPHYSICS OF CLOUDS AND PRECIPITATION, by HANS R. PRUPPACHER and JAMES D. KLETT, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, 2004,[1]
↑Pruppacher et Klett écrivent, p. 397 : "L'observation des gouttes montre qu'elles sont aplaties à leur base à partir du diamètre équivalent 3,5 mm (Reynolds 1965) et même creusée en cette base à partir du diamètre équivalent 4 mm (Reynolds 2325).
↑Comme précisé plus haut, il existe d'autres types d'éclatements.
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