Introduction
Le mot bulle vient du latin bulla.A l'origine, la bulla était une petite sphère d'or que les fils de patriciens portaient autours du cou jusqu'à l'âge de 17 ans.
Les bulles de savon ont beaucoup été admirées, que ce soit à notre époque ou 'il y à des siècles et des siècles. Elles ont toujours fasciné et on s'est longtemps posé de nombreuses questions sur cette petite chose ronde aussi fragile que du verre. Elles ont notamment inspiré des peintres du XVe au XVIIIe siècle :
Les bulles de savon ont beaucoup été admirées, que ce soit à notre époque ou 'il y à des siècles et des siècles. Elles ont toujours fasciné et on s'est longtemps posé de nombreuses questions sur cette petite chose ronde aussi fragile que du verre. Elles ont notamment inspiré des peintres du XVe au XVIIIe siècle :
Le Cupidon à la bulle de savon, Rembrandt, 1634
Au delà de ça, les bulles nous ont toujours fasciné quand on était petit.
En effet, qui n'a pas joué avec des bulles de savon ?
Et qui n'a jamais eu l'idée de créer des bulles d'une autre forme, comme en cœur ou en fleur ?
Grâce à ce TPE, nous aurons la réponse à cette question et surtout des explication sur les bulles car malgré leur apparence simplette, ce sont des choses beaucoup plus complexes qu'il n'y paraît.
Ière partie : Le savon
Le savon , nous le savons tous, est un élément essentiel d'une bulle de savon.
Mélangé à de l'eau, on peut ainsi créer une bulle de savon !
Mais pourquoi faut-il du savon dans une bulle et quel est son rôle?
1) La composition du savon
Le savon est composé de tensioactifs, c'est-à-dire que dans une molécule, la «tête» de la molécule aime l’eau mais la «queue» n’aime pas l’eau. Il est également composé d'hydroxyde de sodium pour les savons durs, hydroxyde de potassium pour les savons mous ou liquides (=alcalis), d'acides gras, de colorants, de parfums.
La molécule de savon est formée de deux parties :
-La première partie est un groupement carboxylate(COO-) dont la structure est ronde et celle qui constitue la "tête" de la molécule de savon est dite "hydrophile". Elle est polaire.
-L'autre partie est une chaîne hydrocarbonée(R) qui constitue la "queue" de la molécule. Cette partie est dite"hydrophobe" et "lipophile" car elle retient les graisses. Elle est apolaire.
2) Pourquoi faut -il du savon pour former une bulle de savon ?
Dans l'eau, noté H2O, il y a donc deux molécules d'hydrogène et une d'oxygène.
L'atome d’oxygène possède un pôle électromagnétique et l'atome d'hydrogène possède également un pôle électromagnétique. Entre ces deux pôles, il y a une attirance pour former des liaisons intermoléculaires c'est-à-dire des forces induisant une attraction ou une répulsion entre un ion, un atome, une molécule. Ici il y a donc une attraction entres des atomes, ce qui assure la cohésion du liquide.
Or, l'eau cherche à former des "gouttes" car elle essaie d'avoir une surface minimale en contact de l'air. C'est pour cela que, lorsqu’on étale
de l'eau sur une surface plane, l'eau ne forme pas une surface lisse et va donc former des gouttelettes ou des flaques, mais il n'y aura pas de filme lisse et continu. Si on mélange de l’eau et du savon, cette attraction est toujours présente, mais le sera moins. En effet, si on étale sur une surface plane de l'eau et du savon, le film sera plus lisse et ne formera pas de gouttes/flaques car le savon ou le liquide vaisselle sont composés en partie de tensioactifs qui vont diminuer la tension superficielle.
→ Maintenant que nous avons déterminé l'importance du savon dans une bulle, intéressons nous plus particulièrement aux bulles de savon.
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IIeme partie : Structure d'une bulle sphérique
Dans cette partie, nous allons aborder les bulles sphériques; ces bulles paraissent extrêmement simples mais en réalité plusieurs facteurs environnementaux et physiques sont primordiaux dans la formation d’une bulle sphérique de savon. Nous allons les étudier et vous les présenter en plusieurs parties.
1) Composition d'une bulle de savon
Nous pouvons définir une bulle de savon comme une sphère parfaite, lisse et peu déformable. Elle est constituée d’une fine couche d’eau savonneuse rempli d’air, flottant dans l’atmosphère. La surface d'une bulle est comme une membrane tendue, caractérisée par une tension superficielle qui empêche sa déformation.
(Par définition, c’est une fine membrane de liquide entourant de l’air. Sa formation nécessite la présence de tensioactifs pour pouvoir étirer la surface.)
Les molécules de savon, comme nous l'avions vu auparavant, sont composées d'une tête hydrophile qui aime l'eau et qui est chargée négativement et d'une queue hydrophobe qui n'aime pas l'eau et qui est chargée positivement. L'eau possède également des charges partielles, ce qui explique que les têtes des molécules de savon et les molécules d'eau (H2O) ont des affinité, contrairement à la queue d'une molécule de savon qui n'est pas chargée du tout et n'a donc aucune affinité avec l'eau.
2) Tensioactifs.
Comme nous l'avons vu auparavant à plusieurs reprises, les tensioactifs sont des éléments importants dans une bulle de savon.
Rappel : Un tensioactif est une substance modifiant la tension superficielle entre deux surfaces.
Rappel : Un tensioactif est une substance modifiant la tension superficielle entre deux surfaces.
Un tensioactif est composé de 2 parties :
-Une partie qui s'accroche à l'eau : la partie hydrophile, c'est-à-dire qui aime l'eau (ou encore lipophobe). C’est la tête de la molécule qui est dite polaire.
-Une partie qui s'accroche à la graisse : la partie hydrophobe c'est-à-dire qui n'aime pas l'eau. Cette partie-là est une chaîne carbonée de dix à vingt atomes de carbone, qui est donc apolaire.
Pour montrer explicitement cela, nous avons fait une expérience extrêmement simple au labo :
► Nous avons dans un premier cas mélangé de l'eau et de l’huile. Sans surprise l'eau et l'huile ne se mélangent pas, car la queue de la molécule d'huile n'aime pas l'eau, et donc ne peut pas se mélanger avec l'eau.
► Or, lorsque l'on mélange du sirop et de l'eau, le mélange devient complètement homogène car dans la molécule de sirop, il n'y a pas de partie hydrophobe.
3) La tension superficielle
La tension de surface (ou superficielle) est une force qui existe au niveau de toute interface entre deux milieux différents (liquide/liquide ou liquide/gaz...). En effet, le système tend à minimiser la surface de contact entre les deux milieux. Cette force s’exerce sur un liquide (dans notre cas l’eau) qui l’incite à diminuer sa surface de contact avec l’air et à avoir davantage d’affinités avec lui-même. Il y a effectivement une différence d'énergie entre deux milieux (appelée énergie de surface)
En effet dans un liquide, les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion. Le cohésion entre les molécules proviennent d’interactions électrostatiques, appelées interactions de van der Waals. Chaque molécule attire les molécules autour d'elle et cette même molécule subit l'attirance des autres molécules. C'est avec ce principe que l'on explique la cohésion des solides moléculaires.
Or pour les molécules d'eau situées en contact de l'air, elles ne vont pas créer d'attraction avec les molécules d'air. C'est pour cela que leurs forces vont se tournées vers l'intérieur du liquide : 
C'est ces forces "tournées vers l'intérieur du liquide" qui créent cette tension de surface.
Pour bien comprendre cette tension, prenons le cas d'une expérience très simple. Avez-vous déjà vu un trombone flotter sur l'eau, comme ici ? : 
Cela semble surprenant car on sait que le trombone a une densité plus élevée que celle de l'eau et devrait donc couler. Or il ne coule grâce grâce à cette tension de surface.
En revanche, si l'on rajoute du savon dans cette eau, la trombone va couler car, comme nous l'avions vu auparavant, le savon diminue la tension de surface.
4) La loi de Laplace
Nous savons que deux milieux non miscibles sont séparés par une interface. Dès que cette interface est courbée, il y a une différence de pression entre les deux milieux. Ainsi, la pression est plus grande dans une goutte de pluie ou dans une bulle de savon que dans l'atmosphère qui l'entoure. Cette différence de pression dépend essentiellement de la tension de surface (= superficielle), qui mesure l'énergie nécessaire à la création d'une interface.
La bulle est soumise à deux pressions :
● la pression intérieure qui a pour but d'étirer la membrane de la bulle
● la pression extérieure qui contracte la bulle sur elle-même.
La loi de Laplace est à l'origine de la forme parfaitement ronde d'une bulle de savon. En effet la pression est uniforme. Pour calculer cette pression il ne faut pas oublier que au sein d'une bulle, on retrouve deux interfaces : air/liquide et liquide/air. La différence de pression entre l'intérieur et l’extérieur de la bulle est donc doublée. On obtient l'égalité suivante :
→ P1 est la pression atmosphérique en pascals ;
→ P2 est la pression dans la bulle en pascals ;
→ Ɣ est la tension superficielle en newtons par mètre ;
→ R est le rayon de la bulle en mètre.
→ Grâce à cette partie, nous avons mieux compris qu'est ce qu'était une bulle, de quoi est-elle faite; etc...
Mais nous allons ensuite parler dans la partie suivante du plus important de notre TPE : les bulles cubiques.
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→ Grâce à cette partie, nous avons mieux compris qu'est ce qu'était une bulle, de quoi est-elle faite; etc...
Mais nous allons ensuite parler dans la partie suivante du plus important de notre TPE : les bulles cubiques.
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IIIeme partie : Bulles autres que sphériques
Nous savons qu’une bulle de savon est une sorte de bulle particulière, plus précisément une sphère formé d’un mince film d’eau savonneuse remplis d’air flottant dans l’atmosphère.
Et nous avons également vu précédemment qu'une bulle de savon prend donc la forme qui lui permet d’enfermer un volume d’air donnée dans une surface minimale.
Mais notre problématique est la suivante : Peut-on former des bulles autres que sphériques ?
Grâce à cette partie, nous aurons toutes les réponses à nos questions !
Nous savons qu’une bulle de savon est une sorte de bulle particulière, plus précisément une sphère formé d’un mince film d’eau savonneuse remplis d’air flottant dans l’atmosphère.
Et nous avons également vu précédemment qu'une bulle de savon prend donc la forme qui lui permet d’enfermer un volume d’air donnée dans une surface minimale.
Mais notre problématique est la suivante : Peut-on former des bulles autres que sphériques ?
Grâce à cette partie, nous aurons toutes les réponses à nos questions !
1) Calculs : pourquoi une bulle est-elle ronde au premier abord ?
Nous avons réaliser une série de calculs pour comprendre pourquoi une bulle est ronde.
Nous avons choisis de prendre un volume de 100 cm3 pour chaque solide afin de constater que la plus petite aire est celle de la sphère.
Nous avons réaliser une série de calculs pour comprendre pourquoi une bulle est ronde.
Nous avons choisis de prendre un volume de 100 cm3 pour chaque solide afin de constater que la plus petite aire est celle de la sphère.
La pyramide :
Volume = (Aire de la base x hauteur) /3
Volume = (Aire de la base x hauteur) /3
(hauteur = 12 cm Aire = 25 cm
= (25 x 12)/3
= 100 cm³
Aire = Aire de la base +(( Périmètre de la base x Apothème)/2)
(OD = 12 cm ; DB = 2,5 cm)
(L'apothème est une ligne joignant le sommet de la pyramide au milieu d'un des côtés de la base)
Apothème : BO² = OD² + DB²
BO² = 150,25
BO² = 150,25Aire totale = 25 + (20 x 12,26)/2
=147,6 cm²
Cube :
Volume = c³
=³√100 (racine cubique de 100)
≈ 4,642 cm³
Aire = 6 x c²
= 6 x (4,642)²
= 129,3 cm²
Sphère :
Volume = (4/3)π x r³ = 100 cm³
On calcul r pour pouvoir ensuite
calculer l'aire :
π x r³ = (300/4)
r³ = 300/4)/ π
r³ = (300/4) x (1/π)
r³ = (300/4π) ≈ 23,87 cm³
≈ 2,88 cm
(Le logiciel Géo Gébra nous a également confirmé ce résultat)
Aire = 4 π r²
= 4 x π x 2,88²
= 104,23 cm²
Après ces calculs, on en conclue le résultat suivant :
147,6 cm² > 129,7 cm² > 104,23 cm²
Aire pyramide > Aire cube > Aire sphère
Volume = c³
=³√100 (racine cubique de 100)
≈ 4,642 cm³
Aire = 6 x c²
= 6 x (4,642)²
= 129,3 cm²
Sphère :
Volume = (4/3)π x r³ = 100 cm³On calcul r pour pouvoir ensuite
calculer l'aire :
π x r³ = (300/4)
r³ = 300/4)/ π
r³ = (300/4) x (1/π)
r³ = (300/4) x (1/π)
r³ = (300/4π) ≈ 23,87 cm³
≈ 2,88 cm
≈ 2,88 cm
Aire = 4 π r²
= 4 x π x 2,88²
= 104,23 cm²
147,6 cm² > 129,7 cm² > 104,23 cm²
L'aire de la sphère est donc la plus petite.
Or on sait qu'une bulle tend à prendre la surface minimale. Une bulle est donc ronde car c'est le solide qui prend une surface minimale.
2) Nos expériences sur les bulles de savon
Après avoir compris pourquoi une bulle était ronde, nous nous sommes quand même demandé s'il était tout de même possible de créer des bulles d'une autre forme.
Expérience
Nous avons fait une expérience en salle de TP. Nous avons utilisé la recettede la vidéo « Peut-on faire des bulles carrées ? » de
On n’est pas que des cobayes.
Les ingrédients dont on avait besoin sont :
-12 pailles assez fines
-fil de fer
-un saladier haut
-un verre doseur
-une cuillère
-60 cL d’eau
-20 cL de liquide vaisselle
-50 cL de glycérine
-emporte pièce
-pic à brochette
-scotch
-une paire de ciseaux
-une règle
(-une caméra)
Tout d’abord, nous avons scotché les emportes pièces aux pics à brochette, puis nous les avons trempés dans le mélange eau liquide vaisselle et glycérine que nous avions auparavant mis dans le saladier haut.
On n’est pas que des cobayes.
Ensuite, nous avons soufflé dans les emportes pièces, et nous avons essayé
de voir si la bulle qui en sortait était de la forme de l’emporte pièce. Or, après
plusieurs essais, seules des bulles rondes étaient créées.
Nous avons donc compris que de cette manière, il était évidemment impossible de créer des bulles d'une autre forme.
• Dans un premier nous avons construit à l’aide de pailles et de fil de fer un cube pour essayer de faire une bulle cubique. Nous l’avons plongé dans une solution composée de 60cl d’eau, 50cl de glycérine et 20cl de liquide vaisselle. Nous avons remarqué que la paroi du dessus du cube se perçait à cause de la mousse présente dans la solution en la mélangeant; en enlevant la mousse, nous avons ainsi remarqué que cela marchait beaucoup mieux. Au début, nous n'arrivions pas à obtenir une bulle cubique, mais nous obtenions une bulle plutôt pyramidale. Alors nous avons réessayer plusieurs fois et une bulle cubique s’est formée au centre de notre cube.
Comme nous avions réussi à créer une bulle cubique, nous avons voulu pousser plus loin.On s'est donc posées la question suivante : "Si nous arrivons à former une bulle cubique à l'aide d'un cube en paille, pouvons-nous fabriquer une bulle pyramidale ou tétraédrique par exemple ?"
• Donc, dans un second temps on a fabriqué, de la même manière que pour le cube, à l’aide de pailles et de fil de fer un tétraèdre pour essayer de former une bulle tétraédrique. Nous l’avons plongé dans notre solution. Mais après plusieurs tentatives, nous n'avons pas vu de bulle tétraédrique apparaître : seule une face triangulaire s’est formée.
Cependant, nous avons obtenu un semblant de bulle rectangulaire, mais nous pensons que c'est à cause de la mousse et des bulles du savon qu'elle s'est formée.
Cependant, nous avons obtenu un semblant de bulle rectangulaire, mais nous pensons que c'est à cause de la mousse et des bulles du savon qu'elle s'est formée.
• Ensuite nous avons fabriqué une pyramide, encore une fois avec des pailles et des fils de fer. Mais nous en avons tiré la même observation : seule une face s'est formée, mais il n'y a pas de bulle pyramidale qui est apparue.
Conclusion
Grâce à ce TPE, nous avons appris pleins de choses sur les bulles de savon, et surtout nous avons eu la réponse à cette question :
Peut-on créer des bulles autres que sphériques ?
En conclusion nous pouvons dire que oui nous avons pu réaliser des bulles autres que sphériques mais nous n'avons pas vraiment obtenu "une vraie bulle".
En effet, nous avons obtenue une bulle carrée en centre d'un cube mais ce n'est pas une bulle qui flotte dans l'air, comme une bulle sphérique.
De plus, ça ne marchait pas avec toutes le formes (tétraèdre, pyramide) car cela s'oppose aux lois physiques des bulles de savon car les bulles sont soumises à beaucoup de choses : tension superficielle, aire de la bulle etc. ...
Mais nous avons beaucoup apprécié faire toutes ces recherches et ces expériences afin de tout comprendre sur ce sujet.
Nos sources
Voici les principaux sites utilisés lors de la réalisation de notre TPE.
Nous avons utilisés des sites internet, des vidéos et beaucoup d'images afin de comprendre le fonctionnement de telle ou telle chose.
Pour l'introduction :
→ https://fr.wiktionary.org/wiki/bulle
→ http://lesbullesdesavon.e-monsite.com/pages/les-bulles-dans-l-histoire/
Pour le Ière partie sur le savon :
→ http://operasavon.free.fr/composition.htm
→ C'est pas sorcier : La grande lessive
→ Nous avons aussi beaucoup utilisé google image pour pouvoir ensuite décrire l'image avec nos propres mots : images
Pour la IIème partie sur les bulles en général :
→ http://www.sciencesalecole.org/documentsSAE/concours_nationaux/CGenial2014/College/rapports_college/Creteil_College_Hipplolyte-Remy_Une-Bulle_vise_ok.pdf
→https://fr.wikipedia.org/wiki/Tensioactif
→ http://www.pourquois.com/physique_chimie/pourquoi-eau-melange-pas-avec-huile.html
→images, pour comprendre et reformuler
→http://tensionsuperficielle.free.fr/tension-superficielle/
→images
→https://fr.wikipedia.org/wiki/Pression_de_Laplace
Pour la IIIème partie :
→ On n'est pas que des cobayes : Peut-on faire des bulles carrées ?
→ On n'est pas que des cobayes : sur le site de France 5
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